Monitorowanie uczenia się motorycznego małego i asocjacyjnego u myszy za pomocą drabiny Erasmusa

W laboratorium badamy plastyczność mózgu. Jednym z naszych celów jest zidentyfikowanie obwodów i mechanizmów neuronalnych, które są zaangażowane i zrozumienie, co jest nie tak w chorobie, abyśmy mogli znaleźć odpowiednie cele dla interwencji, których brakuje. Jedną z naszych krytycznych potrzeb jest posiadanie solidnych protokołów treningowych do oceny, wywoływania plastyczności i oceny wpływu manipulacji genetycznych na zdrowe myszy i modele chorób.

Obecne badania wymagają czułych, wszechstronnych i automatycznych technik oceny zachowania myszy. Interesuje nas głównie uczenie się motoryczno-behawioralne, a tradycyjne testy wymagają sekwencyjnej implementacji, co pochłania znaczną ilość czasu i środków. Ponadto tradycyjne testy nie zawsze mają wystarczającą dokładność.

Jednak Erasmus Ladder umożliwia uczenie się motoryczne, przyszłe wyjaśnienie i analizę w jednej zautomatyzowanej konfiguracji. Podczas gdy istniejące paradygmaty często koncentrują się na konkretnych aspektach zachowań motorycznych, nasze podejście ma na celu rozróżnienie między uczeniem się motorycznym, wyzwaniem uczenia się motorycznym i asocjacyjnym uczeniem się motorycznym w sposób zautomatyzowany i nieinwazyjny, wypełniając lukę w obecnych metodologiach. Testy są łatwe do przeprowadzenia, zautomatyzowane, powtarzalne i pozwalają naukowcom badać różne aspekty zachowań motorycznych oddzielnie przy użyciu jednej kohorty myszy.

Automatyczne oprogramowanie i regulowane parametry informują o precyzji zbierania i analizy danych, a także o wszechstronności i dostosowaniu protokołu do pytania naukowego. Nasze laboratorium skupi się na dalszym udoskonalaniu protokołów Erasmus Ladder, łącząc techniki komórkowe i molekularne w celu zbadania adaptacji motorycznej i leżących u jej podstaw mechanizmów neuronalnych. W szczególności jeden z naszych projektów koncentruje się na plastyczności mieliny, zjawisku wywoływanym podczas złożonego uczenia się umiejętności motorycznych, które może pomóc w znalezieniu leków dla pacjentów z chorobą demielinizacyjną.

Aby rozpocząć, umieść myszy eksperymentalne poza pomieszczeniem testowym. W pomieszczeniu testowym upewnij się, że wszystkie elementy systemu Erasmus Ladder, w tym router sieciowy, komputer z niezbędnym oprogramowaniem, sprężarka powietrza, dwie skrzynki na bramki oraz drabina ze wszystkimi jej szczeblami, są gotowe do użycia. Włącz oprogramowanie ErasmusLadder.

Aby utworzyć protokół eksperymentu, wybierz pozycję Plik, a następnie pozycję Nowy eksperyment. Kliknij Plik, a następnie Nowy. Nadaj eksperymentowi nazwę i kliknij przycisk OK. Następnie sprawdź, czy domyślny protokół EMC składa się z czterech dni niezakłóconych sesji z 42 niezakłóconymi próbami dziennie oraz czterech dni sesji prowokacyjnych z 42 codziennymi próbami mieszanymi, w tym niezakłóconym bodźcem warunkowym lub tonem tylko CS, bodźcem bezwarunkowym lub przeszkodą tylko US, sparowaną przeszkodą ogłaszaną dźwiękiem.

W panelu po prawej stronie ustaw wskazówkę świetlną, wskazówkę powietrza i wiatr w ogonie, które są używane do zachęcania myszy do przekroczenia drabiny, a także ton. Aby utworzyć inny protokół, wybierz pozycję Konfiguracja, a następnie pozycję Protokół eksperymentu, a następnie wybierz pozycję Nowy. Teraz, od podstaw lub skopiuj z protokołu EMC, edytuj wiersze tabeli związane z liczbą sesji oraz liczbą i rodzajem prób na dzień.

Aby otworzyć listę sesji i nazwać tematy, w obszarze Ustawienia kliknij pozycję Lista sesji. Następnie kliknij Dodaj tematy i zmienne. Wprowadź każdy konkretny identyfikator myszy, datę urodzenia, płeć, genotyp i odpowiednie kategorie zgodnie z uporządkowaną listą myszy.

Przed rozpoczęciem sesji włącz drabinę. Upewnij się, że sprężarka powietrza jest podłączona i włączona. Otwórz wcześniej utworzony protokół eksperymentu, a następnie w oknie Pozyskiwanie wybierz pozycję Otwórz pozyskiwanie.

Umieść mysz z identyfikatorem wskazanym przez oprogramowanie w polu bramki startowej. Wybierz identyfikator myszy, który chcesz pobrać w pierwszej sesji i kliknij Rozpocznij akwizycję. Naciśnij trzy razy czerwone pokrętło menu drabiny, aby rozpocząć sesję.

Monitoruj początek sesji i śledź ruchy myszy aż do ostatniej próby sesji. Po zakończeniu 42. próby upewnij się, że na wyświetlaczu pojawiają się komunikaty Wysyłanie danych i Pozyskane. Następnie przywróć mysz do klatki domowej i wyczyść drabinę oraz skrzynki na bramki.

Aby zwizualizować zarejestrowane dane, z menu Analiza wybierz opcje Statystyka próby, Statystyki sesji oraz Statystyka grupy i wykresy. Kliknij przycisk Eksportuj. Następnie wybierz format pliku jako arkusz kalkulacyjny i lokalizację folderu.

Kliknij prawym przyciskiem myszy automatycznie wygenerowane wykresy i wybierz Zapisz do pliku jako png. Otwórz zapisany arkusz kalkulacyjny i wybierz parametry do oceny podstawowej motywacji, stanów lękowych, reakcji sensorycznych, sprawności motorycznej i uczenia się motorycznego w ciągu pierwszych czterech dni. Wybierz i wykreśl parametry kontrolne, w tym czas odpoczynku w polu bramkowym i czas opuszczenia pola bramkowego po okresie odpoczynku w odpowiedzi na światło w ich wskazówkach.

Wybierz i wykreśl czas spędzony na drabinie po kijach, mierzony jako czas spędzony na przechodzeniu przez drabinę po opuszczeniu pola bramki. Wybierz i wykreśl parametry wzorca krokowego, w tym procent prób z błędnymi krokami, jako wskaźnik wrażliwości uczenia się. Następnie wybierz parametry do oceny zakłóconego uczenia się motorycznego w próbach tylko w USA i uczenia się asocjacyjnego w próbach sparowanych w ciągu ostatnich czterech dni.

Wybierz i narysuj czas na drabince po wskazówkach. Następnie wykreśl procent prób z błędami. Na koniec wykreśl czasy kroku przed i po perturbacji, definiując milisekundową różnicę precyzji między aktywacją szczebla przed i za przeszkodą po tej samej stronie drabiny.

U myszy typu dzikiego czas odpoczynku i reakcje na sygnał świetlny pozostawały spójne od pierwszego do czwartego dnia. Jednak czas reakcji na sygnał radiowy wykazał niewielki spadek między pierwszym a drugim dniem. Czas potrzebny na przejście przez drabinę wykazał znaczną krzywą uczenia się.

Pomyłki podczas przechodzenia przez drabinę zmniejszyły się w ciągu pierwszego do czwartego dnia w sesjach bez zakłóceń. Wydajność myszy poprawiła się od piątego do ósmego dnia, co dało znaczną krzywą uczenia się w sesjach tylko w USA. W próbach uczenia się asocjacyjnego z przeszkodą sparowaną z dźwiękiem, myszy kończyły sesje szybciej niż w badaniach tylko w USA.

W próbach kontrolnych z prezentacjami tylko tonalnymi zaobserwowano istotną krzywą uczenia się przypominającą sesję bez zakłóceń. Odsetek badań z błędami pozostał stały w badaniach przeprowadzonych wyłącznie w badaniach prowadzonych w Stanach Zjednoczonych, natomiast w badaniach sparowanych znacznie się zmniejszył. Zauważalną różnicę między czasami kroku przed i po perturbacji zaobserwowano w badaniach tylko w USA, ale nie w próbach sparowanych, co wskazuje na szybsze uczenie się w celu pokonania przeszkody w sparowanych próbach.