Name: Zdobycie wysoce precyzyjnego zadania dosięgania kończyn przednich u szczurów (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-06-22T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 59 s
Description: Poznaj metodę analizy złożonego zadania dosięgania kończynami u szczurów, badającą uczenie się motoryczne wewnątrz i między sesjami. Technika ta pozwala głębiej zrozumieć mechanizmy przyswajania złożonych ruchów.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca została sfinansowana z grantów Szwajcarskiej Narodowej Fundacji Nauki (Grant 31003A-149315-1 dla M.E.S. i Grant IZK0Z3-150809 dla A.Z.), dla A.Z. Fundacji Heidi Demetriades, dla M.E.S., Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych ("Nogorise") oraz Fundacji Christophera i Dany Reeve (CDRF).

Wszystkie eksperymenty zostały przeprowadzone zgodnie z wytycznymi Biura Weterynaryjnego Kantonu Zurych, Szwajcaria.
1. Obchodzenie się ze zwierzętami i ich habituacja
<ol>
	<li>Obchodzenie się ze zwierzętami 
	Uwaga: 5 dni przed rozpoczęciem eksperymentu należy wykonywać krok 1.1.1 codziennie.
	<ol>
		<li>W przypadku eksperymentów behawioralnych przyzwyczaj zwierzęta do eksperymentatora. Codziennie przeprowadzaj sesje manipulacyjne trwające 10-15 minut na zwierzę. Wyczyść pudełko po sesji każdego zwierzęcia.
		<ol>
			<li>Na początku umieść rękę eksperymentatora w klatce, pozwalając zwierzęciu na eksplorację i powąchanie, aby zapoznać się z eksperymentatorem.</li>
			<li>Następnie delikatnie podnieś zwierzę ręką eksperymentatora w bezpieczny sposób, chwytając ciało szczura między przednią i tylną łapą, umożliwiając dalsze zapoznanie się.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Waż każde zwierzę codziennie, aby uzyskać wyjściową masę ciała przed pozbawieniem pokarmu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Habituacja aparatury i zaznajamianie się z żywnością
	<ol>
		<li>Waż każde zwierzę codziennie, aby uzyskać wyjściową masę ciała przed pozbawieniem pokarmu.</li>
		<li>Szczury pozbawione pożywienia należy rozpocząć na 3 dni przed rozpoczęciem treningu na standardowej diecie laboratoryjnej. Podawaj szczurom 0,05 g jedzenia na 1 g masy ciała dziennie (np. szczur o wadze 200 g zacznij od 10 g jedzenia). Upewnij się, że masa ciała nie zmniejsza się o więcej niż 10% dziennie, monitorując masę ciała codziennie.
		<ol>
			<li>Jeśli kilka zwierząt jest trzymanych w jednej klatce, dominujące szczury mogą jeść więcej niż mniej dominujące. W przypadku, gdy masa ciała zwierzęcia zmniejsza się, należy karmić zwierzę oddzielnie zamiast karmienia grupowego. Podawaj wodę ad libitum.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Aby zapoznać szczura z aparatem chwytającym, umieść zwierzę w pudełku treningowym (ryc. 1). Umieść granulki cukru w pudełku treningowym w pobliżu otworu szczelinowego, aby zapoznać zwierzę z granulkami jedzenia. Wykonuj ten krok 10-15 minut dziennie przez 3 dni.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Przedtrening i nauka umiejętności motorycznych
<ol>
	<li>Trening wstępny
	<ol>
		<li>Dzień po zapoznaniu się z nim umieść zwierzę w pudełku treningowym i umieść granulkę blisko otworu szczeliny, tak aby mógł do niego dotrzeć język zwierzęcia. Wyklucz zwierzęta, które aportują granulki przednimi kończynami podczas treningu wstępnego 
		Uwaga: Na tym etapie pobieranie granulek za pomocą języka ma kluczowe znaczenie i zwykle jest to metoda wybrana przez zwierzę. Granulki w żadnym wypadku nie powinny być chwytane kończyną przednią aż do pierwszego dnia nauki umiejętności motorycznych, aby umożliwić odpowiednie monitorowanie wyuczonego zadania sięgania. Pobieranie śrutu kończyną przednią podczas treningu jest kryterium wykluczającym i w większości przypadków nie jest przestrzegane.</li>
		<li>Naucz szczura, aby albo biegł do tyłu klatki i wracał do otworu szczelinowego, albo cofał się i obracał wokół własnej osi, aby otrzymać następnym granulem pokarmu za pomocą języka. Daj zwierzęciu czas na zbadanie klatki, biegnij do tyłu i wróć do otworu szczelinowego. Jeśli zwierzę nie wykona prawidłowo zadania, użyj kleszczy, aby delikatnie postukać w koniec tylnej części klatki i przyciągnąć uwagę zwierzęcia. Gdy zwierzę znajdzie się z tyłu, delikatnie postukaj w przód klatki, aby skierować zwierzę do otworu szczelinowego. 
		Uwaga: Gdy zwierzę osiągnie określoną wartość standardową (np. 50 udanych wyprowadzeń śrutu językiem w czasie krótszym niż 15 minut), zwierzę kwalifikuje się do etapu uczenia się umiejętności motorycznych. Już w 1. i 2. dniu szkolenia wstępnego można odróżnić osoby uczące się od osób nieuczących się. Na tym etapie z badania mogą zostać wykluczone osoby, które nie uczą się. Zmniejsza to prawdopodobieństwo wystąpienia dużej liczby osób nieuczących się na etapie uczenia się motorycznego (2.2).</li>
		<li>Podczas treningu szczury pozbawiają pożywienia na standardowej diecie laboratoryjnej. Podawaj wodę ad libitum. Przez cały czas trwania badania należy codziennie monitorować masę ciała. Nie używaj tego samego pomieszczenia do szkolenia samców i samic szczurów. Zapewnij zwierzęciu spokojne i wolne od hałasu środowisko.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Określenie preferencji łapy i uczenie się umiejętności motorycznych
	<ol>
		<li>Podczas pierwszej sesji nauki motorycznej zamień zjeżdżalnię przed oknem na słupek. Umieść granulkę cukru w odległości około 1,5 cm od okna na słupku, tak aby zwierzę nie mogło dosięgnąć wypluwki językiem, a jedynie odzyskać ją precyzyjnym ruchem sięgania i chwytania kończynami przednimi.
		<ol>
			<li>Aby wymusić aportowanie wypluwki przez kończynę przednią, użyj kleszczy, aby delikatnie zbliżyć wypluwkę do pyska zwierzęcia i wycofać wypluwkę, podczas gdy zwierzę próbuje spożyć wypluwkę językiem. Wykonuj to zadanie wielokrotnie, aż zwierzę wyciągnie przednią kończynę i chwyci śrut.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Umieść słupek pośrodku otworu okiennego. Aby określić preferencje dotyczące łapy, uważnie obserwuj pierwsze 10 prób w pierwszym dniu treningu. Ponad 70% prób dotarcia (tj. 7 na 10) musi być wykonanych tą samą kończyną przednią. Jeśli to nie zostanie osiągnięte, kontynuuj kolejną rundę 10 prób, aż do osiągnięcia progu 70%.</li>
		<li>Po określeniu preferencji łapy przesuń słupek w kierunku preferowanej kończyny przedniej i wyrównaj centralnie do granicy otworu okiennego. Preferowane ułożenie łapy oznacza, że słupek jest przesunięty w kierunku przeciwnym do odpowiedniej łapy, aby umożliwić optymalny kąt sięgania (Rysunek 1B, C).</li>
		<li>Sklasyfikuj próbę, zdefiniowaną jako nowy śrut przedstawiony zwierzęciu, jako udaną (sięgnij, chwyć, odzyskaj i zjedz kulkę), upuść (sięgnij, chwyć i strać śrut podczas odzyskiwania) lub nieudaną (strącić śrut ze słupka). Zanotuj każdą próbę w swoim arkuszu i przeanalizuj dane po zakończeniu eksperymentu.</li>
		<li>Wykonaj jedną sesję dziennie składającą się z określonej liczby prób (np. 150) lub maksymalnego czasu (np. 1 godzina) dla każdego zwierzęcia.</li>
		<li>Zbadaj precyzję i precyzyjne dostrojenie ruchu, korzystając z analizy pierwszej próby. Pierwsza próba jest definiowana przez uchwycenie śrutu w pojedynczym monolitycznym ruchu bez zakłóceń, wahań lub powtarzania poszczególnych elementów ruchu. Uważnie obserwuj każdy chwyt szczura.
		<ol>
			<li>Jeśli szczur waha się lub chowa podczas sięgania lub próbuje kilku prób, aby prawidłowo chwycić wypluwkę, należy odnotować odpowiednią próbę jako udaną, ale nie pierwszą próbę. Jeśli zwierzę pomyślnie chwyci wypluwkę w pojedynczym monolitycznym zasięgu, zanotuj odpowiednią próbę jako udaną pierwszą próbę w osobnej kolumnie w arkuszu.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Podczas uczenia się umiejętności motorycznych szczury są pozbawione pożywienia na standardowej diecie laboratoryjnej. Podawaj wodę ad libitum. Przez cały czas trwania badania należy codziennie monitorować masę ciała.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Fu, M., Yu, X., Lu, J., Zuo, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Repetitive+motor+learning+induces+coordinated+formation+of+clustered+dendritic+spines+in+vivo%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Repetitive motor learning induces coordinated formation of clustered dendritic spines in vivo.</a> Nature. 483, 92-95 (2012).</li>
<li>Fu, M., Zuo, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experience-dependent+structural+plasticity+in+the+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Trends+in+neurosciences%22%5BJournal%5D)">Experience-dependent structural plasticity in the cortex.</a> Trends in neurosciences. 34, 177-187 (2011).</li>
<li>Holtmaat, A., Svoboda, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experience-dependent+structural+synaptic+plasticity+in+the+mammalian+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+reviews.+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Experience-dependent structural synaptic plasticity in the mammalian brain.</a> Nature reviews. Neuroscience. 10, 647-658 (2009).</li>
<li>Xu, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+formation+and+selective+stabilization+of+synapses+for+enduring+motor+memories%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Rapid formation and selective stabilization of synapses for enduring motor memories.</a> Nature. 462, 915-919 (2009).</li>
<li>Yu, X., Zuo, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spine+plasticity+in+the+motor+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Current+opinion+in+neurobiology%22%5BJournal%5D)">Spine plasticity in the motor cortex.</a> Current opinion in neurobiology. 21, 169-174 (2011).</li>
<li>Rioult-Pedotti, M. S., Friedman, D., Donoghue, J. P. Learning-induced LTP in neocortex. Science. 290, 533-536 (2000).</li>
<li>Rioult-Pedotti, M. S., Friedman, D., Hess, G., Donoghue, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strengthening+of+horizontal+cortical+connections+following+skill+learning%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+neuroscience%22%5BJournal%5D)">Strengthening of horizontal cortical connections following skill learning.</a> Nature neuroscience. 1, 230-234 (1998).</li>
<li>Rioult-Pedotti, M. S., Donoghue, J. P., Dunaevsky, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plasticity+of+the+synaptic+modification+range%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Plasticity of the synaptic modification range.</a> Journal of neurophysiology. 98, 3688-3695 (2007).</li>
<li>Fritsch, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+current+stimulation+promotes+BDNF-dependent+synaptic+plasticity%3A+potential+implications+for+motor+learning%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Direct current stimulation promotes BDNF-dependent synaptic plasticity: potential implications for motor learning.</a> Neuron. 66, 198-204 (2010).</li>
<li>Ghiani, C. A., Ying, Z., de Vellis, J., Gomez-Pinilla, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Exercise+decreases+myelin-associated+glycoprotein+expression+in+the+spinal+cord+and+positively+modulates+neuronal+growth%5BTitle%5D)+AND+%22Glia%22%5BJournal%5D)">Exercise decreases myelin-associated glycoprotein expression in the spinal cord and positively modulates neuronal growth.</a> Glia. 55, 966-975 (2007).</li>
<li>Josephson, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Activity-induced+and+developmental+downregulation+of+the+Nogo+receptor%5BTitle%5D)+AND+%22Cell+and+tissue+research%22%5BJournal%5D)">Activity-induced and developmental downregulation of the Nogo receptor.</a> Cell and tissue research. 311, 333-342 (2003).</li>
<li>Karlen, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nogo+receptor+1+regulates+formation+of+lasting+memories%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Nogo receptor 1 regulates formation of lasting memories.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106, 20476-20481 (2009).</li>
<li>Kleim, J. A., Lussnig, E., Schwarz, E. R., Comery, T. A., Greenough, W. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synaptogenesis+and+Fos+expression+in+the+motor+cortex+of+the+adult+rat+after+motor+skill+learning%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+neuroscience+%3A+the+official+journal+of+the+Society+for+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Synaptogenesis and Fos expression in the motor cortex of the adult rat after motor skill learning.</a> The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 16, 4529-4535 (1996).</li>
<li>Mironova, Y. A., Giger, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Where+no+synapses+go%3A+gatekeepers+of+circuit+remodeling+and+synaptic+strength%5BTitle%5D)+AND+%22Trends+in+neurosciences%22%5BJournal%5D)">Where no synapses go: gatekeepers of circuit remodeling and synaptic strength.</a> Trends in neurosciences. 14, 7-23 (2013).</li>
<li>Park, H., Poo, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neurotrophin+regulation+of+neural+circuit+development+and+function%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+reviews.+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Neurotrophin regulation of neural circuit development and function.</a> Nature reviews. Neuroscience. 14, 7-23 (2013).</li>
<li>Zemmar, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neutralization+of+Nogo-A+enhances+synaptic+plasticity+in+the+rodent+motor+cortex+and+improves+motor+learning+in+vivo%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+neuroscience+%3A+the+official+journal+of+the+Society+for+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Neutralization of Nogo-A enhances synaptic plasticity in the rodent motor cortex and improves motor learning in vivo.</a> The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 34, 8685-8698 (2014).</li>
<li>Whishaw, I. Q., Pellis, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+structure+of+skilled+forelimb+reaching+in+the+rat%3A+a+proximally+driven+movement+with+a+single+distal+rotatory+component%5BTitle%5D)+AND+%22Behavioural+brain+research%22%5BJournal%5D)">The structure of skilled forelimb reaching in the rat: a proximally driven movement with a single distal rotatory component.</a> Behavioural brain research. 41, 49-59 (1990).</li>
<li>Buitrago, M. M., Ringer, T., Schulz, J. B., Dichgans, J., Luft, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+motor+skill+and+instrumental+learning+time+scales+in+a+skilled+reaching+task+in+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Behavioural+brain+research%22%5BJournal%5D)">Characterization of motor skill and instrumental learning time scales in a skilled reaching task in rat.</a> Behavioural brain research. 155, 249-256 (2004).</li>
<li>Geurts, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Knockout+rats+via+embryo+microinjection+of+zinc-finger+nucleases%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Knockout rats via embryo microinjection of zinc-finger nucleases.</a> Science. 325, 433(2009).</li>
<li>Tews, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthetic+microRNA-mediated+downregulation+of+Nogo-A+in+transgenic+rats+reveals+its+role+as+regulator+of+synaptic+plasticity+and+cognitive+function%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Synthetic microRNA-mediated downregulation of Nogo-A in transgenic rats reveals its role as regulator of synaptic plasticity and cognitive function.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , (2013).</li>
<li>Li, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Heritable+gene+targeting+in+the+mouse+and+rat+using+a+CRISPR-Cas+system%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Heritable gene targeting in the mouse and rat using a CRISPR-Cas system.</a> Nature. 31, 681-683 (2013).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia

Paradygmat pokazany w tym badaniu został zaadaptowany z Buitrago i wsp. 18 i różni się od klasycznej pojedynczej kulki osiągającej paradygmat17 głównie w dwóch aspektach:
Po pierwsze, badanie doskonalenia w trakcie sesji umożliwia analizę wyuczonego zadania w ciągu jednego dnia, co może dostarczyć innego poziomu informacji, takich jak badanie komponentu szybkiego uczenia się w porównaniu z komponentem powolnego uczenia się reprezentowanym przez średnie wartości d...

Kontrola ruchu jest podstawową funkcją ośrodkowego układu nerwowego (OUN). Motoryczność jest głównym mierzalnym wynikiem funkcji OUN i główną możliwością interakcji jednostek ze światem zewnętrznym. Zrozumienie zasad funkcjonowania funkcji motorycznych i mechanizmów, które leżą u podstaw uczenia się zadania motorycznego, jest obecnie jednym z największych wyzwań w neurobiologii. Zmiany morfologiczne, fizjologiczne i molekularne stwierdzono po nabyciu nowego zadania motorycznego. Na przykład kształt i liczba synaps zmieniają się w odpowiedzi na wykwalifikowany trening motoryczny1-5, a zmiany funkcjonalne maszynerii synaptycznej obserwowano po uczeniu się motorycznym. Odpowiedzi synaptyczne były wyższe w połączeniach regionu wytrenowanej kory ruchowej reprezentującego kończyny przednie w porównaniu z niewytrenowaną półkulą tego samego zwierzęcia lub z odpowiedziami zwierząt niewyszkolonych6,7. Obserwacje elektrofizjologiczne sugerują również, że mechanizmy podobne do długotrwałego wzmocnienia (LTP) i długotrwałej depresji (LTD) zachodzą podczas uczenia się nowej umiejętności motorycznej, a zakres operacji synaptycznej, który jest zdefiniowany między granicami wysycenia LTP i LTD,ulega modyfikacji8. Ponadto wykazano, że markery aktywności i cząsteczki promujące plastyczność, takie jak c-fos, GAP-43 lub BDNF, ale także cząsteczki hamujące plastyczność, takie jak Nogo-A, pełnią rolę regulacyjną dla plastyczności neuronalnej związanej z uczeniem się9-16.
Te postępy w kierunku lepszego zrozumienia mechanizmów leżących u podstaw uczenia się motorycznego można osiągnąć tylko dzięki zastosowaniu paradygmatów behawioralnych, które pozwalają na precyzyjną kontrolę nabywania nowej umiejętności motorycznej, np. umiejętnego sięgania kończynami przednimi. Tylko dobrze skonstruowane zadanie behawioralne pozwala monitorować i rejestrować skorelowane zmiany, które zachodzą po nauczeniu się i wykonaniu danego zadania. Tutaj wizualnie demonstrujemy zmodyfikowaną wersję wykwalifikowanego zadania sięgania pojedynczą kulką kończyny przedniej u szczurów zaadaptowanych z Buitrago i wsp.17 Prezentowany paradygmat pozwala na analizę akwizycji ruchu w ramach codziennej sesji treningowej (w ramach sesji) reprezentującej komponent szybkiego uczenia się i akwizycji podstawowej, a także umiejętne uczenie się motoryczne w ciągu kilku sesji (między sesjami) reprezentujących komponent powolnego uczenia się i utrzymanie wyuczonego zadania18. Co ważne, ten paradygmat behawioralny zwiększa stopień trudności i złożoności zadania umiejętności motorycznych ze względu na dwie cechy: Po pierwsze, szczury są szkolone, aby obracać się wokół własnej osi po każdym chwycie, a tym samym ustawiać swoje ciało przed następnym sięgnięciem granulki i odnawiać orientację ciała, zapobiegając ciągłemu wykonywaniu ruchów pod tym samym kątem. Po drugie, pelety są pobierane z pionowego słupka umieszczonego przed klatką. Ze względu na małą średnicę słupka, śrut można łatwo wykopać, co wymaga precyzyjnego chwytania w celu pomyślnego odzyskania i zapobiega prostemu ciągnięciu śrutu w kierunku zwierzęcia.
Tak złożone testy behawioralne pozwalają na głębszy wgląd w mechanizmy leżące u podstaw uczenia się motorycznego. W porównaniu z myszami, szczury są lepsze w wykonywaniu złożonych zadań behawioralnych, a zatem lepiej nadają się do złożonych paradygmatów, jak przedstawiono w tym badaniu. Biorąc pod uwagę rosnące możliwości genetyczne dostępne dla szczurów19,20, połączenie precyzyjnych i dobrze kontrolowanych metod testów behawioralnych z manipulacjami genetycznymi, obrazowaniem i technikami fizjologicznymi stanowi potężny zestaw narzędzi do lepszego zrozumienia neurobiologicznych podstaw uczenia się motorycznego i pamięci.

<table><tbody><tr><td>Pudełko</td><td></td><td></td> treningowe <td>Self Made</td></tr><tr><td>Pedestal</td><td></td><td></td><td>Self Made</td></tr><tr><td>Sugar Pellets</td><td>TSE Systems Intl. Group</td><td></td><td>45 mg bezpyłowe granulki precyzyjne</td></tr><tr><td>Sprague Dawley szczury</td><td></td><td></td><td>5-6 tygodniowe samce</td></tr><tr><td>Laptop</td><td>Hewlett Packard</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Stop</td><td></td><td></td><td></td></tr> Robot<tr><td>Kleszcze</td><td>Narzędzia do nauki precyzyjnej (FST)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Excel</td><td>Microsoft</td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Prism GraphPad</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Waga</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>wagi Licznik</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

zdobycie wysoce precyzyjnego zadania dosięgania kończyn przednich u szczurów

Acquisition of a High-precision Skilled Forelimb Reaching Task in Rats

Ruchy są główną mierzalną wydajnością funkcji ośrodkowego układu nerwowego. Opracowanie paradygmatów behawioralnych, które umożliwiają szczegółową analizę uczenia się motorycznego i jego wykonywania, ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia zasad i procesów leżących u podstaw funkcji motorycznych. W tym miejscu przedstawiamy paradygmat badania akwizycji ruchu w ramach codziennej sesji treningu (w trakcie sesji), reprezentujący komponent szybkiego uczenia się i nabywania podstawowego, a także umiejętne uczenie się motoryczne w ciągu kilku sesji treningowych (między sesjami), reprezentujące komponent powolnego uczenia się i konsolidację wyuczonego zadania. Ten paradygmat behawioralny zwiększa stopień trudności i złożoności zadania umiejętności motorycznych ze względu na dwie cechy: Po pierwsze, zwierzę ustawia swoje ciało przed każdym pobraniem granulki, wymuszając nową orientację i uniemożliwiając wykonanie ruchu pod tym samym kątem. Po drugie, pelety są chwytane z pionowego słupka, który pasuje do średnicy pelletu i jest umieszczany przed klatką. Wymaga to precyzyjnego chwytania w celu pomyślnego wyjęcia śrutu, a tym samym zapobiega prostemu ciągnięciu śrutu w kierunku zwierzęcia. W połączeniu z nowatorskimi technologiami genetycznymi, obrazowymi i elektrofizjologicznymi, ta metoda behawioralna pomoże zrozumieć morfologiczne, anatomiczne i molekularne podstawy uczenia się motorycznego i pamięci.

Skuteczne nabywanie umiejętności motorycznych jest możliwe jedynie dzięki systematycznemu treningowi. Mimo starannego uwzględnienia wszystkich aspektów, niektóre szczury nie opanowują zadania (Rycina 2). Takie „osobniki nieuczące się” wykazują albo brak motywacji, co skutkuje nielicznymi lub całkowitym brakiem prób wydobycia peletu od początku eksperymentu, albo ogólną utratę zainteresowania sięganiem po pelet, co prowadzi do ciągłych niepowodzeń. Z kolei niektóre zwierzęta wykazują zachowania agresywne ...

Paradygmat jest prezentowany w celu analizy nabywania u szczurów umiejętności sięgania kończynami przednimi do bardzo precyzyjnego dosięgnięcia.

Zdobycie wysoce precyzyjnego zadania dosięgania kończyn przednich u szczurów

Movements are the main measurable output of central nervous system function. Developing behavioral paradigms that allow detailed analysis of motor ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest zbadanie procesu nabywania złożonej umiejętności sięgania czterema kończynami oraz analiza dwóch faz uczenia się: w obrębie jednej sesji oraz pomiędzy sesjami. Cel ten realizuje się poprzez uprzednie oswojenie zwierzęcia z eksperymentatorem i środowiskiem uczenia się. Drugim krokiem jest nauczenie szczura ponownego ustawienia ciała przed każdym pobraniem granulki pokarmu za pomocą języka.Następnie szczur uczy się chwytania granulki cukru umieszczonej na postumencie za pomocą czterech kończyn. Po ustaleniu preferowanej kończyny przedniej, postument jest przesuwany w celu zoptymalizowania kąta dostępu do chwytania granulki; w okresie treningowym każda próba jest oceniana jako sukces, upuszczenie lub niepowodzenie. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak klasyczne zadanie sięgania po pojedynczą próbkę, jest zwiększenie trudności uczenia się motorycznego, co pozwala na badanie bardziej złożonych ruchów kończyn.Wizualna demonstracja tej metody jest kluczowa, ponieważ poszczególne etapy są trudne do opisania w tekście publikacji; możliwość zobaczenia, usłyszenia i przeczytania opisów poszczególnych kroków pozwala na pełniejsze wyjaśnienie techniki. Aby przygotować zwierzęta do eksperymentu, należy z nimi pracować codziennie przez co najmniej pięć dni przed rozpoczęciem badań; takie sesje powinny trwać od 10 do 15 minut na zwierzę. Należy wykorzystać tę okazję do ich zważenia.Podczas pierwszej obsługi szczura należy pozwolić zwierzętom oswoić się z obecnością dłoni w klatce. Następnie należy delikatnie i bezpiecznie podnieść zwierzę. Każde zwierzę należy zważyć, aby ustalić wyjściową masę ciała przed wprowadzeniem deprywacji pokarmowej.Na trzy dni przed rozpoczęciem wstępnego treningu, w trakcie okresu habituacji, należy wdrożyć protokół głodzenia. Podawać szczurom jedynie 0,05 g standardowej diety na gram masy ciała. Dostęp do wody nie powinien być ograniczany.Należy upewnić się, że żadna z szczurów nie utraci więcej niż 10% masy ciała w okresie restrykcji pokarmowej. Jeśli kilka zwierząt jest trzymanych w jednej klatce, prawdopodobnie konieczne będzie ich oddzielne karmienie, aby osobnik dominujący nie zjadł całego pokarmu. W celu oswojenia szczura z aparatem chwytnym należy umieszczać go w klatce treningowej przez pięć dni przed rozpoczęciem wstępnego treningu, prowadząc codzienne sesje trwające od 10 do 15 minut.Należy również umieścić w klatce treningowej kilka granulatów, aby zwierzę zapoznało się z ich zapachem i smakiem. Na koniec, przed ekspozycją na każde kolejne zwierzę, należy dokładnie wyczyścić klatkę treningową. Samce i samice szczurów muszą być trenowane w oddzielnych pomieszczeniach.Pomieszczenie treningowe musi być spokojne i ciche. Zaleca się, aby nie łączyć szczurów płci męskiej i żeńskiej w jednym badaniu. Po tym, jak szczury zapoznają się z klatką treningową, należy rozpocząć wstępny trening.Wróć z każdą szczurem do klatki i umieść pelet cukrowy na szkiełku przed otworem szczeliny, tak aby zwierzę mogło go dosięgnąć językiem. Następnie naucz szczura, aby albo biegł do tylnej części klatki i wracał do otworu szczeliny po kolejny pelet, albo cofał się i obracał wokół własnego wejścia, aby otrzymać kolejny pelet.Pozwól szczurowi na eksplorację klatki podczas wykonywania tego zadania. Jeśli szczur nie robi tego prawidłowo, delikatnie stuknij pęsetą w tył klatki, aby zwrócić jego uwagę. Gdy szczur podejdzie do tyłu klatki, delikatnie stuknij w przód klatki, aby przyciągnąć jego uwagę.Powrót do otworu szczeliny. Ten etap będzie wymagał cierpliwości. Wyciąganie za pomocą języka jest na tym etapie kluczowe i zazwyczaj jest to preferowana metoda przez zwierzę.Próby odzyskiwania peletów w okresie wstępnego treningu są przeprowadzane w celu weryfikacji kryteriów wykluczenia. Opanowanie zadania definiuje się jako zdolność szczura do jego wykonania określoną liczbę razy w określonym czasie, na przykład 50 odzyskań peletów językiem w ciągu 15 minut; każdego szczura trenuje się codziennie przez maksymalnie godzinę, aż do spełnienia tych kryteriów. Szczury, które nie opanowały zadania, można zazwyczaj zidentyfikować w ciągu kilku dni wstępnego treningu. Powinny one zostać wykluczone z badania podczas etapu wstępnego treningu.Ważne jest, aby kontynuować głodzenie szczurów. Powinny one mieć stały dostęp do wody, a ich masa ciała powinna być monitorowana codziennie. W celu nauki zadania należy zastąpić zasuwę przed skrzynką treningową postumentem.Następnie umieść pelet na postumencie, w odległości 1,5 centymetra od okna, tak aby nie mógł on zostać osiągnięty językiem, a jedynie przednią kończyną. Aby nauczyć zwierzę chwytania peletu, zbliż go do pyska szczura za pomocą pęsety, a następnie go cofnij. Gdy szczur wysunie język i spróbuje go polizać, kontynuuj w ten sposób prowokowanie szczura, aż zacznie się wyciągać.Kończyną przednią chwyta pelet. Podczas pierwszych 10 prób sięgania postument jest umieszczony na środku szczeliny w celu określenia preferencji łapy. Jeśli siedem lub więcej z pierwszych 10 prób zostanie wykonanych tą samą kończyną przednią, łapa ta jest uznawana za preferowaną; jeśli próg ten nie zostanie osiągnięty, należy kontynuować obserwacje w kolejnych blokach po 10 prób, aż do momentu wykazania preferencji.Należy również utrzymać preferencję między 10 blokami prób, co zazwyczaj następuje po określeniu preferencji. Przesuń podstawkę do krawędzi okna po przeciwnej stronie niż preferowana kończyna, aby zapewnić zwierzęciu lepszy kąt dostępu do podniebienia. Przy użyciu preferowanej kończyny oceniaj każdą prezentację granulatu jako sukces, upuszczenie lub niepowodzenie.Upuszczenie definiuje się jako udany chwyt, po którym następuje utrata przedmiotu. Sukces ma miejsce wtedy, gdy szczur pomyślnie chwyta pelet i przenosi go do pyska, aby ostatecznie go zjeść. Przeprowadzać jedną sesję dziennie.Aby określić czas trwania sesji, należy wprowadzić limit liczby prób oraz limit czasu. Na przykład sesję kończy się po chwyceniu 150 granulek lub po upływie godziny, w zależności od tego, co nastąpi pierwsze. Precyzję i stopień dopasowania można określić na podstawie analizy sukcesu szczura przy pierwszej próbie wydobycia granulki.Sukces przy pierwszej próbie następuje tylko wtedy, gdy szczur wykona pojedynczy, jednolity ruch. Należy zawsze odnotować tego typu sukcesy, o ile nie wystąpiły przerwy, zawahania lub powtórzenia poszczególnych komponentów ruchu. Podczas nauki umiejętności motorycznych ważne jest kontynuowanie głodzenia szczurów.Podobnie jak podczas wstępnego treningu, nigdy nie należy ograniczać dostępu do wody i należy codziennie ważyć każdego szczura. Choć wiele szczurów opanowuje zadanie, niektóre z nich ponoszą niepowodzenie, co może wynikać z braku motywacji lub utraty zainteresowania. Po kilku nieudanych próbach mogą stać się zbyt pośpieszne i agresywne, aby nauczyć się zadania.Występują również szczury, które wykazują wczesne sukcesy, lecz następnie tracą zdolność do poprawy wyników lub nawet notują spadek efektywności. Sukces można zdefiniować w dwóch fazach. Podczas pierwszej sesji treningowej zazwyczaj obserwuje się wstępny komponent szybkiej nauki, reprezentujący pierwotną akwizycję.Druga faza polega na umiejętnej nauce motorycznej, która zajmuje więcej czasu i stanowi konsolidację wyuczonego zadania w ciągu kilku sesji. Szczury potrzebują różnej liczby dni, aby osiągnąć ten poziom nauki, co skutkuje uśrednionymi krzywymi, które nie są zbyt gładkie. Innym przejawem udanej nauki motorycznej może być precyzyjne dostrojenie planu motorycznego.W każdej sesji treningowej ułamek granulek odzyskanych przy pierwszej próbie w stosunku do wszystkich sukcesów może służyć do pomiaru tego rodzaju uczenia się motorycznego. Podczas przeprowadzania tej procedury ważne jest zachowanie spokoju, zapewnienie zwierzętom komfortowych i wolnych od hałasu warunków w trakcie sesji oraz stosowanie ograniczenia pokarmowego przy jednoczesnym monitorowaniu masy ciała zwierząt. Procedurę tę można łączyć z innymi metodami, takimi jak podawanie specyficznych leków, różne techniki obrazowania, elektrofizjologia lub modyfikacje genetyczne.Ta mnogość kombinacji eksperymentalnych stanowi dobrą podstawę do lepszego zrozumienia uczenia się motorycznego.

acquisition-of-a-high-precision-skilled-forelimb-reaching-task-in-rats

Research

JoVE Journal

Behavior

Zachowanie

Skala sprawnego sięgania dzieli ruch przedniej kończyny podczas próby zdobycia pokarmu na elementy składowe, z których każdy jest oceniany w trzystopniowej skali. Skala ocen została opracowana dla prawidłowo funkcjonującego szczura i może być stosowana do oceny neurologicznych zaburzeń motorycznych.

Struktura umiejętnego sięgania kończyną przednią u szczura: skala oceny ruchu

Testy manipulacji Vermicelli i Capellini służące do oceny sprawności przednich łap wykorzystują naturalną skłonność gryzoni do manipulowania produktami spożywczymi za pomocą precyzyjnych ruchów przednich łap i palców. Zwierzęta są nagrywane podczas manipulowania krótkimi nitkami surowego, suchego makaronu. Odtwarzanie wideo w zwolnionym tempie umożliwia ilościową ocenę korekt ułożenia przednich łap.

Testy manipulacji nitkami vermicelli i capellini: proste ilościowe pomiary sprawności chwytnej przedniej łapy u szczurów i myszy

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.

Badaj uczenie się umiejętności motorycznych poprzez zadania sięgania pojedynczymi granulkami u myszy

Przedstawiono paradygmat do treningu i analizy zautomatyzowanego zadania umiejętnego sięgania u szczurów. Analiza prób ciągnięcia ujawnia wyraźne podprocesy uczenia się motorycznego.

Badanie procesów uczenia się umiejętności motorycznych za pomocą manipulandum robotycznego

Ten manuskrypt opisuje półautomatyczne zadanie, które kwantyfikuje supinację u szczurów. Szczury sięgają, chwytają i supinują kuliste manipulandum. Szczur jest nagradzany śrutem, jeśli kąt skrętu przekroczy kryterium ustawione przez użytkownika. To zadanie zwiększa przepustowość, wrażliwość na urazy i obiektywizm w porównaniu z tradycyjnymi zadaniami.

Zadanie supinacji gałki: półautomatyczna metoda oceny funkcji kończyn przednich u szczurów

Metoda oceny wpływu treningu na zdolności motoryczne jest użytecznym narzędziem. Niestety, większość ocen behawioralnych może być pracochłonna i/lub kosztowna. Opisujemy tutaj robotyczną metodę oceny umiejętności chwytania (sięgania do chwytania) u myszy.

Ocena umiejętnego chwytu u myszy za pomocą automatycznego trenażera

Umiejętne sięganie gryzoni jest powszechnie używane do nauki zręczności, ale wymaga znacznego czasu i wysiłku do wykonania zadania i przeanalizowania zachowania. Opisujemy zautomatyzowaną wersję umiejętnego docierania ze śledzeniem ruchu i trójwymiarową rekonstrukcją trajektorii zasięgu.

Zautomatyzowane sięganie pojedynczych śruin szczura z 3-wymiarową rekonstrukcją trajektorii łap i palców

Obecny protokół opisuje, jak korzystać z bezprzewodowej optogenetyki w połączeniu z szybką wideografią w jednym zadaniu typu "sięgnij do uchwytu" w celu scharakteryzowania obwodów neuronowych zaangażowanych w realizację umiejętnego zachowania motorycznego u swobodnie poruszających się myszy.

In vivo (in vivo) Bezprzewodowa kontrola optogenetyczna wykwalifikowanych zachowań motorycznych

Obecne badanie opisuje test zachowania motorycznego do analizy deficytów motorycznych w modelach gryzoni, w tym szczura TgF344-AD, z wykorzystaniem uczenia maszynowego.

Zadanie motoryczne w celu badania kinematyki stawów w przedklinicznym modelu chorób neurodegeneracyjnych

Pokazujemy, jak obiektywna miara może być zastosowana w powszechnie stosowanym paradygmacie iluzji gumowej ręki. Miara ta jest uzyskiwana przez modyfikację dobrze ugruntowanego zadania kongruencji intermodalnej. Zadanie to pozwala na zbadanie procesów multisensorycznych, które są krytyczne dla modulacji reprezentacji ciała, jak w iluzji gumowej ręki.

Zadanie kongruencji intermodalnej jako sposób na uzyskanie obiektywnej miary behawioralnej w paradygmacie iluzji gumowej ręki

Poznaj metodę analizy złożonego zadania dosięgania kończynami u szczurów, badającą uczenie się motoryczne wewnątrz i między sesjami. Technika ta pozwala głębiej zrozumieć mechanizmy przyswajania złożonych ruchów.

Zdobycie wysoce precyzyjnego zadania dosięgania kończyn przednich u szczurów

Przeglądaj więcej filmów