Zadania sięgające są wykorzystywane w neuronauce behawioralnej do badania uczenia się motorycznego i zręczności kończyn przednich. Podobnie jak ludzki…
Zadania sięgające są wykorzystywane w dziedzinie neuronauki behawioralnej do oceny zręczności kończyn przednich i uczenia się motorycznego. Zwierzęta są zmotywowane do sięgania po apetyczne nagrody w postaci jedzenia, takich jak makaron czy nasiona. Celowanie, chwytanie, łamanie i aportowanie to niektóre z nowych umiejętności, które zwierzęta nabywają i doskonalą podczas nauki tych zadań.
Ten film omawia powody, dla których neuronaukowcy behawioralni badają umiejętne docieranie i omawia protokół przeprowadzania eksperymentów z docieraniem. Wreszcie, film dokona również przeglądu niektórych konkretnych eksperymentów behawioralnych obejmujących umiejętne użycie kończyn przednich w różnych modelach uszkodzenia mózgu.
Zanim przejdziemy do protokołu zadań docierających, porozmawiajmy o użyciu kończyn przednich, czyli o tym, co mierzą zadania związane z docieraniem. Gryzonie mają niezwykle zręczne przednie łapy, których używają w sposób podobny do tego, jak używamy rąk. Zadania sięgające pozwalają naukowcom obserwować, w jaki sposób gryzonie używają łap do chwytania i aportowania kawałków jedzenia. Zapewnia to wymierną miarę zręczności przedniej łapy.
Zadania te wymagają, aby zwierzęta nauczyły się nowych sekwencji ruchów, takich jak zgięcie i prostowanie, pronacja i supinacja oraz rotacja.
To uczenie się motoryczne jest związane z aktywacją określonych obszarów mózgu. Sygnały neuronalne dla motoryki dużej, jak i drobnej są inicjowane w obszarach motorycznych składających się z pierwotnej kory ruchowej i przedruchowej i wysyłane przez rdzeń kręgowy do odpowiednich mięśni, które wytwarzają pożądane ruchy.
Gryzonie są dobrym modelem do translacyjnych badań motorycznych, ponieważ ich układ ruchowy jest zorganizowany podobnie do ludzkiego. Uszkodzenia tych obszarów motorycznych zaburzają posługiwanie się rękami u ludzi i używaniem przedniej łapy u gryzoni, przy czym te ostatnie można zmierzyć za pomocą zadań sięgających.
Skoro już wiesz, dlaczego naukowcy używają zadań sięgających, zobaczmy, jak przeprowadza się te badania. Przed badaniem zwierzęta powinny być dotykane i wystawione na działanie aparatury i nagród w postaci pokarmu, aby ograniczyć reakcje na stres i strach. Zazwyczaj zwierzęta są karmione ograniczoną dietą, z jedzeniem podawanym na koniec codziennych sesji treningowych. Gwarantuje to, że zwierzęta nie są nasycone w czasie testu.
Zadania związane z dotarciem odbywają się w specjalnie zaprojektowanej komorze, która posiada trzy szczeliny. Porozmawiajmy o zadaniu polegającym na tym, że gryzonie sięgają po nasiona. W tego typu eksperymencie centralna szczelina służy do określenia preferencji kończyny i proces ten nazywa się kształtowaniem. W tym celu myszy mogą sięgać po nasiona obiema kończynami ograniczoną liczbę razy podczas jednej sesji. Sesje modelowania są przeprowadzane codziennie, aż zwierzęta będą wykazywać przedretensyjne sięganie jedną kończyną w 70% przypadków. Następnie ich preferowana kończyna jest trenowana do umiejętnego sięgania po pojedyncze nasiona umieszczone w wgłębieniach do bocznych szczelin na etapie docierania. Każda próba dotarcia do celu jest oceniana jako udana, spadkowa lub nieudana. Trening docierania musi być prowadzony przez wiele dni, aby zwierzęta nauczyły się tego zadania. Myszy zazwyczaj osiągają plateau w ciągu kilku dni.
W przypadkach, gdy zwierzęta są szkolone do sięgania po makaron, a nie po nasiona, eksperymentator wykorzystuje tylko środkową szczelinę zarówno do treningu, jak i testowania. Matryca makaronu, plastikowy blok z otworami wywierconymi na całej głębokości, jest wypełniany suchym makaronem i umieszczany przed komorą. Preferowaną kończynę określa się, pozwalając myszom sięgać obiema kończynami. Następnie trening odbywa się poprzez wypełnienie tylko połowy macierzy przeciwnej do preferowanej kończyny. Rejestrowana jest liczba i lokalizacja kawałków makaronu połamanych podczas jednej sesji. W ciągu kilku tygodni myszy uczą się oczyszczać większe i bardziej odległe części macierzy.
Teraz, gdy zapoznaliśmy się z podstawowym protokołem testowania użycia kończyn przednich, omówmy kilka aktualnych eksperymentów z wykorzystaniem tych zadań.
Zachowania związane z dosięgiem są znacznie upośledzone po udarze, a rodzaj treningu rehabilitacyjnego może wpływać na to, jak dobrze kończyna dotknięta udarem odzyskuje funkcję. Naukowcy wykazali, że w mysim modelu udaru, trening kompensacyjny z kończyną nieparetyczną lub "dobrą" upośledza zdolność kończyny niedowładnej lub "złej" do odzyskania zdolności dotarcia. Jednak bezpośredni trening kończyny niedowładnej powoduje poprawę w czasie po udarze.
Oprócz testów docierania istnieją inne testy używania kończyn przednich przez gryzonie, takie jak testy obchodzenia się z makaronem lub płatkami zbożowymi, które dostarczają różnych, bardziej zróżnicowanych miar zręczności kończyn przednich. Po udarze gryzonie wykazują deficyty w ruchach łap używanych do obchodzenia się z makaronem podczas jedzenia. W modelu urazu rdzenia kręgowego wzorce obchodzenia się ze zbożem, w tym kontakt z przednią łapą, ruchy nadgarstka i kontakt z palcami, są zmienione.
Podobnie jak w przypadku zadań sięgania u gryzoni, zmodyfikowana tablica Brinkmana może być używana do testowania zręczności rąk u naczelnych innych niż ludzie. W tym teście małpy chwytają granulki jedzenia umieszczone w otworach na pochylonej desce. Po urazie rdzenia kręgowego, który upośledza korzystanie z jednej ręki, liczba kulek pobranych przez chorą rękę zmniejsza się i nie poprawia się z czasem. Natomiast po udarze w korze ruchowej liczba granulek pobranych przez chorą rękę początkowo maleje, ale z czasem ulega poprawie.
Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do zadań sięgających. Ten film obejmował zasady i korelaty neuronalne związane z umiejętnym używaniem kończyn przednich, ogólny protokół przeprowadzania testów docierania oraz niektóre eksperymenty wykorzystujące ocenę zręczności kończyn przednich w modelach urazów mózgu lub rdzenia kręgowego. Jak zawsze, dziękujemy za oglądanie!
Zaloguj się lub , aby uzyskać dostęp do pełnej treści. Dowiedz się więcej o dostępie Twojej instytucji do treści JoVE tutaj
Zadania sięgające są wykorzystywane w dziedzinie neuronauki behawioralnej do oceny zręczności kończyn przednich i uczenia się motorycznego. Zwierzęta są zmotywowane do sięgania po apetyczne nagrody w postaci jedzenia, takich jak makaron czy nasiona. Celowanie, chwytanie, łamanie i aportowanie to niektóre z nowych umiejętności, które zwierzęta nabywają i doskonalą podczas nauki tych zadań.
Ten film omawia powody, dla których neuronaukowcy behawioralni badają umiejętne docieranie i omawia protokół przeprowadzania eksperymentów z docieraniem. Wreszcie, film dokona również przeglądu niektórych konkretnych eksperymentów behawioralnych obejmujących umiejętne użycie kończyn przednich w różnych modelach uszkodzenia mózgu.
Zanim przejdziemy do protokołu zadań docierających, porozmawiajmy o użyciu kończyn przednich, czyli o tym, co mierzą zadania związane z docieraniem. Gryzonie mają niezwykle zręczne przednie łapy, których używają w sposób podobny do tego, jak używamy rąk. Zadania sięgające pozwalają naukowcom obserwować, w jaki sposób gryzonie używają łap do chwytania i aportowania kawałków jedzenia. Zapewnia to wymierną miarę zręczności przedniej łapy.
Zadania te wymagają, aby zwierzęta nauczyły się nowych sekwencji ruchów, takich jak zgięcie i prostowanie, pronacja i supinacja oraz rotacja.
To uczenie się motoryczne jest związane z aktywacją określonych obszarów mózgu. Sygnały neuronalne dla motoryki dużej, jak i drobnej są inicjowane w obszarach motorycznych składających się z pierwotnej kory ruchowej i przedruchowej i wysyłane przez rdzeń kręgowy do odpowiednich mięśni, które wytwarzają pożądane ruchy.
Gryzonie są dobrym modelem do translacyjnych badań motorycznych, ponieważ ich układ ruchowy jest zorganizowany podobnie do ludzkiego. Uszkodzenia tych obszarów motorycznych zaburzają posługiwanie się rękami u ludzi i używaniem przedniej łapy u gryzoni, przy czym te ostatnie można zmierzyć za pomocą zadań sięgających.
Skoro już wiesz, dlaczego naukowcy używają zadań sięgających, zobaczmy, jak przeprowadza się te badania. Przed badaniem zwierzęta powinny być dotykane i wystawione na działanie aparatury i nagród w postaci pokarmu, aby ograniczyć reakcje na stres i strach. Zazwyczaj zwierzęta są karmione ograniczoną dietą, z jedzeniem podawanym na koniec codziennych sesji treningowych. Gwarantuje to, że zwierzęta nie są nasycone w czasie testu.
Zadania związane z dotarciem odbywają się w specjalnie zaprojektowanej komorze, która posiada trzy szczeliny. Porozmawiajmy o zadaniu polegającym na tym, że gryzonie sięgają po nasiona. W tego typu eksperymencie centralna szczelina służy do określenia preferencji kończyny i proces ten nazywa się kształtowaniem. W tym celu myszy mogą sięgać po nasiona obiema kończynami ograniczoną liczbę razy podczas jednej sesji. Sesje modelowania są przeprowadzane codziennie, aż zwierzęta będą wykazywać przedretensyjne sięganie jedną kończyną w 70% przypadków. Następnie ich preferowana kończyna jest trenowana do umiejętnego sięgania po pojedyncze nasiona umieszczone w wgłębieniach do bocznych szczelin na etapie docierania. Każda próba dotarcia do celu jest oceniana jako udana, spadkowa lub nieudana. Trening docierania musi być prowadzony przez wiele dni, aby zwierzęta nauczyły się tego zadania. Myszy zazwyczaj osiągają plateau w ciągu kilku dni.
W przypadkach, gdy zwierzęta są szkolone do sięgania po makaron, a nie po nasiona, eksperymentator wykorzystuje tylko środkową szczelinę zarówno do treningu, jak i testowania. Matryca makaronu, plastikowy blok z otworami wywierconymi na całej głębokości, jest wypełniany suchym makaronem i umieszczany przed komorą. Preferowaną kończynę określa się, pozwalając myszom sięgać obiema kończynami. Następnie trening odbywa się poprzez wypełnienie tylko połowy macierzy przeciwnej do preferowanej kończyny. Rejestrowana jest liczba i lokalizacja kawałków makaronu połamanych podczas jednej sesji. W ciągu kilku tygodni myszy uczą się oczyszczać większe i bardziej odległe części macierzy.
Teraz, gdy zapoznaliśmy się z podstawowym protokołem testowania użycia kończyn przednich, omówmy kilka aktualnych eksperymentów z wykorzystaniem tych zadań.
Zachowania związane z dosięgiem są znacznie upośledzone po udarze, a rodzaj treningu rehabilitacyjnego może wpływać na to, jak dobrze kończyna dotknięta udarem odzyskuje funkcję. Naukowcy wykazali, że w mysim modelu udaru, trening kompensacyjny z kończyną nieparetyczną lub "dobrą" upośledza zdolność kończyny niedowładnej lub "złej" do odzyskania zdolności dotarcia. Jednak bezpośredni trening kończyny niedowładnej powoduje poprawę w czasie po udarze.
Oprócz testów docierania istnieją inne testy używania kończyn przednich przez gryzonie, takie jak testy obchodzenia się z makaronem lub płatkami zbożowymi, które dostarczają różnych, bardziej zróżnicowanych miar zręczności kończyn przednich. Po udarze gryzonie wykazują deficyty w ruchach łap używanych do obchodzenia się z makaronem podczas jedzenia. W modelu urazu rdzenia kręgowego wzorce obchodzenia się ze zbożem, w tym kontakt z przednią łapą, ruchy nadgarstka i kontakt z palcami, są zmienione.
Podobnie jak w przypadku zadań sięgania u gryzoni, zmodyfikowana tablica Brinkmana może być używana do testowania zręczności rąk u naczelnych innych niż ludzie. W tym teście małpy chwytają granulki jedzenia umieszczone w otworach na pochylonej desce. Po urazie rdzenia kręgowego, który upośledza korzystanie z jednej ręki, liczba kulek pobranych przez chorą rękę zmniejsza się i nie poprawia się z czasem. Natomiast po udarze w korze ruchowej liczba granulek pobranych przez chorą rękę początkowo maleje, ale z czasem ulega poprawie.
Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do zadań sięgających. Ten film obejmował zasady i korelaty neuronalne związane z umiejętnym używaniem kończyn przednich, ogólny protokół przeprowadzania testów docierania oraz niektóre eksperymenty wykorzystujące ocenę zręczności kończyn przednich w modelach urazów mózgu lub rdzenia kręgowego. Jak zawsze, dziękujemy za oglądanie!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: Why do behavioral neuroscientists use reaching tasks to study motor function?
Reaching tasks provide a quantifiable measure of forepaw dexterity in rodents, allowing scientists to observe how animals grasp and retrieve food pieces. These tasks measure motor learning and the acquisition of novel movement sequences like flexion, extension, pronation, and supination. Since rodents' motor systems are organized similarly to humans', reaching tasks enable translational research on how brain damage affects motor control in both species.
Q2: What preparation steps are necessary before conducting a reaching task experiment?
Animals should be handled and exposed to the apparatus and food rewards to limit stress and fear responses. Rodents are typically maintained on a restricted diet, with food provided only at the end of daily training sessions. This ensures animals are motivated and not sated during testing, optimizing their performance and engagement with the reaching task.
Q3: How does the shaping process work in seed-based reaching tasks?
Shaping determines limb preference by allowing mice to reach for seeds with both limbs for a limited number of times per session. Daily shaping sessions continue until animals exhibit preferential reaching with one limb 70% of the time. Once preference is established, the preferred limb is trained to skillfully reach for individual seeds placed in divets on the side slits of the reaching stage.
Q4: What is the difference between pasta and seed-based reaching protocols?
Seed-based tasks use three slits to determine limb preference and train the preferred limb on individual seeds. Pasta-based tasks use only the central slit for both training and testing, with a plastic matrix filled with dry pasta. Mice learn to clear larger and more distant portions of the matrix over weeks, with experimenters recording the number and location of pasta pieces broken per session.
Q5: How does direct training of the affected limb compare to compensatory training after stroke?
In mouse stroke models, compensatory training with the non-paretic limb actually impairs the paretic limb's ability to regain reaching function. Conversely, directly training the paretic limb results in measurable improvements over time. This finding demonstrates that targeted rehabilitation of the injured limb is more effective than relying on the unaffected limb for recovery.
Q6: How do spinal cord injuries and strokes differently affect forelimb dexterity in animal models?
After spinal cord injury, rodents show altered cereal handling patterns including changes in forepaw contact, wrist movements, and digit contact. In non-human primates with spinal cord injury, pellet retrieval by the affected hand decreases and does not improve over time. However, after motor cortex stroke, pellet retrieval initially decreases but improves over time, suggesting different recovery mechanisms between injury types.
Q7: What neural pathways control the motor movements required for skilled reaching?
Neural signals for gross and fine motor skills originate in motor areas consisting of primary motor and premotor cortices. These signals travel via the spinal cord to appropriate muscles, producing desired movements. Damage to these motor areas disrupts hand use in humans and forepaw use in rodents, which can be measured and assessed using reaching tasks.