Задачи на достижение используются в поведенческой нейробиологии для исследования моторного обучения и ловкости передних конечностей. Как и человечески…
Задачи на достижение используются в области поведенческой нейробиологии для оценки ловкости передних конечностей и моторного обучения. Животные мотивированы тянуться к аппетитным пищевым наградам, таким как макароны или семечки. Прицеливание, хватание, сломание и извлечение — вот некоторые из новых навыков, которые животные приобретают и совершенствуют во время обучения этим задачам.
В этом видео рассказывается о причинах, по которым поведенческие нейробиологи изучают навык достижения, а также обсуждается протокол проведения экспериментов по достижению цели. Наконец, в видео также будут рассмотрены некоторые конкретные поведенческие эксперименты с использованием квалифицированных передних конечностей при различных моделях черепно-мозговой травмы.
Прежде чем перейти к протоколу задачи по достижению цели, давайте поговорим об использовании передних конечностей, которое измеряется задачами по достижению цели. У грызунов чрезвычайно ловкие передние лапы, которые они используют так же, как мы используем наши руки. Задачи на достижение позволяют ученым наблюдать, как грызуны используют свои лапы для захвата и извлечения кусочков пищи. Это обеспечивает количественную меру ловкости передних лап.
Эти задачи требуют, чтобы животные научились новым последовательностям движений, таким как сгибание и разгибание, пронация и супинация, а также вращение.
Это моторное обучение связано с активацией определенных областей мозга. Нейронные сигналы для грубых, а также мелких моторных навыков запускаются в двигательных областях, состоящих из первичной моторной и премоторной коры, и направляются через спинной мозг к соответствующим мышцам, которые производят желаемые движения.
Грызуны являются хорошей моделью для трансляционных моторных исследований, потому что их моторная система организована так же, как и у человека. Повреждение этих двигательных областей нарушает использование рук у людей и использование передней лапы у грызунов, последнее из которых можно измерить с помощью задач досягаемости.
Поскольку теперь вы знаете, почему ученые используют задачи на достижение цели, давайте посмотрим, как проводятся эти исследования. Перед тестированием животных следует трогать и подвергать воздействию оборудования и пищи, чтобы ограничить стрессовые реакции и реакцию страха. Обычно животных кормят ограниченным рационом, а корм предоставляется в конце ежедневных тренировок. Это гарантирует, что животные не насытятся во время тестирования.
Дотягивающие задачи проводятся в специально сконструированной камере, которая имеет три щели. Давайте поговорим о задаче, в которой грызуны тянутся за семенами. Для этого типа эксперимента используется центральная щель для определения предпочтения конечности, и этот процесс называется формированием. Для этого мышам разрешается тянуться к семенам обеими конечностями ограниченное количество раз за один сеанс. Сеансы шейпинга проводятся ежедневно до тех пор, пока животные не продемонстрируют предварительную досягаемость одной конечностью в 70% случаев. Затем их предпочитаемая конечность тренируется умело тянуться к отдельным семенам, помещенным в углубления для боковых щелей на досягаемом этапе. Каждая попытка досягаемости оценивается как успешная, неудачная или неудачная. Дрессировка должна проводиться в течение многих дней, чтобы животные освоили задачу. Мыши обычно достигают плато в течение нескольких дней.
В тех случаях, когда животных обучают тянуться к макаронам, а не к семенам, экспериментатор использует только центральную щель как для обучения, так и для тестирования. Матрица для макарон, представляющая собой пластиковый блок с отверстиями, просверленными по всей глубине, заполняется сухими макаронами и помещается перед камерой. Предпочтительная конечность определяется путем предоставления мышам возможности дотянуться обеими конечностями. Затем тренировка проводится путем заполнения только половины матрицы, противоположной предпочитаемой конечности. Записывается количество и расположение кусочков макаронных изделий, сломанных за один сеанс. В течение нескольких недель мыши учатся очищать большие и более удаленные участки матрицы.
Теперь, когда мы рассмотрели базовый протокол тестирования использования передних конечностей, давайте обсудим некоторые текущие эксперименты с использованием этих задач.
После инсульта значительно нарушается поведение при достижении цели, и тип реабилитационной тренировки может повлиять на то, насколько хорошо конечность, пораженная инсультом, восстанавливает свои функции. Здесь ученые показали, что в мышиной модели инсульта компенсаторная тренировка с непаретической или «хорошей» конечностью ухудшает способность паретической или «плохой» конечности восстанавливать способность достигать цели. Тем не менее, непосредственная тренировка паретичной конечности приводит к улучшению со временем после инсульта.
Помимо тестов на достижение цели, существуют и другие тесты использования передних конечностей у грызунов, такие как тесты на макароны или крупы, которые дают другие, более разнообразные измерения ловкости передних конечностей. После инсульта грызуны демонстрируют дефицит движений лап, используемых для обработки макарон во время еды. В модели травмы спинного мозга изменяются схемы обработки зерновых, включая контакт передней лапы, движения запястья и контакт пальцев.
Подобно задачам досягаемости у грызунов, модифицированная доска Бринкмана может быть использована для проверки ловкости рук у приматов. В этом тесте обезьяны захватывают гранулы пищи, помещенные в отверстия на наклонной доске. После травмы спинного мозга, которая ухудшает использование одной руки, количество гранул, извлекаемых пораженной рукой, уменьшается и не улучшается с течением времени. Напротив, после инсульта в моторной коре количество гранул, извлекаемых пораженной рукой, первоначально уменьшается, но со временем улучшается.
Вы только что посмотрели введение JoVE в задачи по достижению цели. В этом видео были рассмотрены принципы и нейронные корреляты, связанные с умелым использованием передних конечностей, общий протокол проведения тестов на достижение и некоторые эксперименты с использованием оценки ловкости передних конечностей на моделях травм головного или спинного мозга. Как всегда, спасибо за просмотр!
Задачи на достижение используются в области поведенческой нейробиологии для оценки ловкости передних конечностей и моторного обучения. Животные мотивированы тянуться к аппетитным пищевым наградам, таким как макароны или семечки. Прицеливание, хватание, сломание и извлечение — вот некоторые из новых навыков, которые животные приобретают и совершенствуют во время обучения этим задачам.
В этом видео рассказывается о причинах, по которым поведенческие нейробиологи изучают навык достижения, а также обсуждается протокол проведения экспериментов по достижению цели. Наконец, в видео также будут рассмотрены некоторые конкретные поведенческие эксперименты с использованием квалифицированных передних конечностей при различных моделях черепно-мозговой травмы.
Прежде чем перейти к протоколу задачи по достижению цели, давайте поговорим об использовании передних конечностей, которое измеряется задачами по достижению цели. У грызунов чрезвычайно ловкие передние лапы, которые они используют так же, как мы используем наши руки. Задачи на достижение позволяют ученым наблюдать, как грызуны используют свои лапы для захвата и извлечения кусочков пищи. Это обеспечивает количественную меру ловкости передних лап.
Эти задачи требуют, чтобы животные научились новым последовательностям движений, таким как сгибание и разгибание, пронация и супинация, а также вращение.
Это моторное обучение связано с активацией определенных областей мозга. Нейронные сигналы для грубых, а также мелких моторных навыков запускаются в двигательных областях, состоящих из первичной моторной и премоторной коры, и направляются через спинной мозг к соответствующим мышцам, которые производят желаемые движения.
Грызуны являются хорошей моделью для трансляционных моторных исследований, потому что их моторная система организована так же, как и у человека. Повреждение этих двигательных областей нарушает использование рук у людей и использование передней лапы у грызунов, последнее из которых можно измерить с помощью задач досягаемости.
Поскольку теперь вы знаете, почему ученые используют задачи на достижение цели, давайте посмотрим, как проводятся эти исследования. Перед тестированием животных следует трогать и подвергать воздействию оборудования и пищи, чтобы ограничить стрессовые реакции и реакцию страха. Обычно животных кормят ограниченным рационом, а корм предоставляется в конце ежедневных тренировок. Это гарантирует, что животные не насытятся во время тестирования.
Дотягивающие задачи проводятся в специально сконструированной камере, которая имеет три щели. Давайте поговорим о задаче, в которой грызуны тянутся за семенами. Для этого типа эксперимента используется центральная щель для определения предпочтения конечности, и этот процесс называется формированием. Для этого мышам разрешается тянуться к семенам обеими конечностями ограниченное количество раз за один сеанс. Сеансы шейпинга проводятся ежедневно до тех пор, пока животные не продемонстрируют предварительную досягаемость одной конечностью в 70% случаев. Затем их предпочитаемая конечность тренируется умело тянуться к отдельным семенам, помещенным в углубления для боковых щелей на досягаемом этапе. Каждая попытка досягаемости оценивается как успешная, неудачная или неудачная. Дрессировка должна проводиться в течение многих дней, чтобы животные освоили задачу. Мыши обычно достигают плато в течение нескольких дней.
В тех случаях, когда животных обучают тянуться к макаронам, а не к семенам, экспериментатор использует только центральную щель как для обучения, так и для тестирования. Матрица для макарон, представляющая собой пластиковый блок с отверстиями, просверленными по всей глубине, заполняется сухими макаронами и помещается перед камерой. Предпочтительная конечность определяется путем предоставления мышам возможности дотянуться обеими конечностями. Затем тренировка проводится путем заполнения только половины матрицы, противоположной предпочитаемой конечности. Записывается количество и расположение кусочков макаронных изделий, сломанных за один сеанс. В течение нескольких недель мыши учатся очищать большие и более удаленные участки матрицы.
Теперь, когда мы рассмотрели базовый протокол тестирования использования передних конечностей, давайте обсудим некоторые текущие эксперименты с использованием этих задач.
После инсульта значительно нарушается поведение при достижении цели, и тип реабилитационной тренировки может повлиять на то, насколько хорошо конечность, пораженная инсультом, восстанавливает свои функции. Здесь ученые показали, что в мышиной модели инсульта компенсаторная тренировка с непаретической или «хорошей» конечностью ухудшает способность паретической или «плохой» конечности восстанавливать способность достигать цели. Тем не менее, непосредственная тренировка паретичной конечности приводит к улучшению со временем после инсульта.
Помимо тестов на достижение цели, существуют и другие тесты использования передних конечностей у грызунов, такие как тесты на макароны или крупы, которые дают другие, более разнообразные измерения ловкости передних конечностей. После инсульта грызуны демонстрируют дефицит движений лап, используемых для обработки макарон во время еды. В модели травмы спинного мозга изменяются схемы обработки зерновых, включая контакт передней лапы, движения запястья и контакт пальцев.
Подобно задачам досягаемости у грызунов, модифицированная доска Бринкмана может быть использована для проверки ловкости рук у приматов. В этом тесте обезьяны захватывают гранулы пищи, помещенные в отверстия на наклонной доске. После травмы спинного мозга, которая ухудшает использование одной руки, количество гранул, извлекаемых пораженной рукой, уменьшается и не улучшается с течением времени. Напротив, после инсульта в моторной коре количество гранул, извлекаемых пораженной рукой, первоначально уменьшается, но со временем улучшается.
Вы только что посмотрели введение JoVE в задачи по достижению цели. В этом видео были рассмотрены принципы и нейронные корреляты, связанные с умелым использованием передних конечностей, общий протокол проведения тестов на достижение и некоторые эксперименты с использованием оценки ловкости передних конечностей на моделях травм головного или спинного мозга. Как всегда, спасибо за просмотр!
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.