Study Motor Skill Læring ved Single-pellets Reaching Oppgaver i Mus
Summary
Vedvarende praksis forbedrer presisjonen av koordinerte bevegelser. Her introduserer vi en single-pellet nådde oppgave, som er designet for å vurdere læring og hukommelse av forbena ferdigheter hos mus.
Abstract
Reaching for og hente objekter krever presise og koordinerte motoriske bevegelser i forbena. Når musene er gjentatte ganger opplært til å forstå og hente mat belønninger plassert på et bestemt sted, deres motor ytelse (definert som nøyaktighet og hastighet) forbedrer gradvis over tid, og platåer etter vedvarende trening. Når en slik nå ferdighet er mestret, gjør sitt videre vedlikehold krever ikke konstant praksis. Her introduserer vi en single-pellet nådde oppgave å utrede anskaffelse og vedlikehold av dyktige forbena bevegelser i mus. I denne videoen, vi først beskrive atferd av mus som er vanlig forekommende i denne læring og hukommelse paradigmet, og deretter diskutere hvordan å kategorisere disse atferd og kvantifisere de observerte resultatene. Kombinert med muse genetikk, kan dette paradigmet benyttes som en atferds plattform for å utforske de anatomiske grunnlaget, fysiologiske egenskaper, og molekylære mekanismer for læring og hukommelse.
Introduction
Forstå mekanismene bak læring og hukommelse er en av de største utfordringene i nevrovitenskap. I motorsystemet, er oppkjøpet av nye motoriske ferdigheter med praksis ofte omtalt som motorisk læring, mens tilbakeholdelse av tidligere lært motoriske ferdigheter er å anse som motor minne en. Å lære et nytt motoriske ferdigheter er vanligvis gjenspeiles i forbedring av ønsket motorytelse over tid, helt til et punkt når motoriske ferdigheter er enten perfeksjonert eller tilfredsstillende konsekvent. For de fleste tilfeller kan den ervervede motor minnet vedvare i lang tid, selv i fravær av praksis. Hos mennesker, har bildediagnostiske undersøkelser med positronemisjonstomografi (PET) og funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) vist at primære motor cortex (M1) aktivitetsendringer i løpet av anskaffelsesfasen av motoriske ferdigheter læring 2-4, og midlertidige forstyrrelser av M1 aktivitet ved lavfrekvente transkranial magnetisk stimulering fører til betydeficantly forstyrret oppbevaring av motor atferds forbedring fem. Tilsvarende forbena-spesifikk trening i rotter induserer funksjonelt og anatomisk plastisitet i M1, eksemplifisert ved økning av både c-fos aktivitet og synapse / nevron forholdet i M1 kontralateralt til den trent forbena under sen fase av motoriske ferdigheter læring seks. Videre, en tilsvarende opplæring paradigme styrker også lag 2/3 horisontale forbindelser i kontralaterale M1 tilsvarer trent forbena, noe som resulterer i redusert sikt (LTP) og forbedret langsiktig depresjon (LTD) etter rotter skaffe oppgavene 7. Slike synaptisk modifikasjon, men er ikke observert i M1 kortikale regioner som tilsvarer utrent forbena og bakbena 8.. Alternativt, når M1 er blitt skadet ved hjerneslag, er det dramatiske mangler i forbena spesifikke motoriske-ferdigheter 9. Mens de fleste av motoratferdsstudier har blitt utført på mennesker, apes, og rotter 2-8,10-17, mus blitt et attraktivt modellsystem på grunn av sin kraftige genetikk og lave kostnader.
Her presenterer vi en forbena bestemt motor-ferdigheter læring paradigmet: en enkelt-pellet nådde oppgave. I dette paradigmet, er mus opplært til å utvide sine forbein gjennom en smal spalte for å forstå og hente mat pellets (hirse frø) plassert på et fast sted, en atferd analogt til å lære bueskyting, dart-kasting, og skytebasket i menneskelig. Dette nådde oppgaven har blitt forandret fra tidligere rotte studier som har vist lignende resultater mellom mus og rotter 18. Ved hjelp av to-foton transkranial bildebehandling, har tidligere arbeidet vårt fulgt dynamikken i dendrittutløperne (postsynaptiske strukturer for flertallet eksitatoriske synapser) over tid i løpet av denne treningen. Vi fant at en enkelt treningsøkt førte til raske fremveksten av nye dendrittutløperne på pyramidale nevroner i motoren cortex kontralateralt til den trent forbena. Subsequent opplæring av det samme nå oppgave fortrinnsvis stabilisert disse lærings-indusert pigger, som varte lenge etter trening avsluttet 19. Videre pigger som fremkom under repetisjoner for å nå oppgaven tendens til å klynge sammen dendritter, mens pigger dannet under tandem utførelse av nå oppgave og en annen forbena spesifikke motor oppgave (dvs. pasta håndtering oppgaven) ikke klynge 20.
I dagens video, vi beskriver steg-for-steg oppsettet av denne atferds paradigmet, fra den innledende mat deprivasjon å forme, og til motor trening. Vi beskriver også de vanligste atferd av mus i løpet av prosessen med å gjennomføre denne atferds paradigmet, og hvordan disse atferd er kategorisert og analysert. Avslutningsvis diskuterer vi de forholdsregler som trengs for å praktisere en slik lærings paradigmet og de problemer som kan oppstå under dataanalyser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Viktigheten av å forme fasen:
På grunn av økt angst fra å være i et ukjent miljø, er det vanligvis vanskelig for mus til å bli opplært i en roman miljø 21,22. Derfor er målet med å forme til å bli mus med trening kammeret, trener (dvs. redusere sine angst nivåer), og krav oppgaven (dvs. å identifisere frø som matkilde). Et annet mål med utformingen er å bestemme de foretrukne lemmer av individuelle mus for fremtidig trening. Under utformingen, er de…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet er støttet av et stipend (1R01MH094449-01A1) fra National Institute of Mental Health til YZ
Materials
| Training chamber in clear acrylic box | For dimensions, see Fig. 1A |
| Tilted tray for shaping | custom-made from glass slides, see Fig. 1B |
| Food platform for training | For dimensions, see Fig. 1C |
| Millet seeds | filtered from “Wild Bird Food Dove and Quail Blend Wild Bird Food (All Living Things) |
| Forceps | For placing the seeds |
| A weighing scale | For daily body weight measurement |
| A stopwatch | For time measurement during shaping/training sessions |
References
- Schmidt, R. A. Motor Learning Principles for Physical Therapy. Foundations for Physical Therapy. Contemporary Management of Motor Control Problems, Proceedings of the II STEP Conference. , 49-63 (1991).
- Honda, M., Deiber, M. P., Ibanez, V., Pascual-Leone, A., Zhuang, P., Hallett, M. Dynamic cortical involvement in implicit and explicit motor sequence learning. A PET study.. Brain. 121, 2159-2173 (1998).
- Karni, A., Meyer, G., Jezzard, P., Adams, M. M., Turner, R., Ungerleider, L. G. Functional MRI evidence for adult motor cortex plasticity during motor skill learning. Nature. 377, 155-158 (1995).
- Karni, A., et al. The acquisition of skilled motor performance: fast and slow experience-driven changes in primary motor cortex. Proc. Natl Acad. Sci. U.S.A. 95, 861-868 (1998).
- Muellbacher, W., et al. Early consolidation in human primary motor cortex. Nature. 415, 640-644 (2002).
- Kleim, J. A., Hogg, T. M., VandenBerg, P. M., Cooper, N. R., Bruneau, R., Remple, M. Cortical synaptogenesis and motor map reorganization occur during late, but not early, phase of motor skill learning. J. Neurosci. 24, 628-633 (2004).
- Rioult-Pedotti, M. S., Friedman, D., Donoghue, J. P. Learning-induced LTP in neocortex. Science. 290, 533-536 (2000).
- Rioult-Pedotti, M. S., Friedman, D., Hess, G., Donoghue, J. P. Strengthening of horizontal cortical connections following skill learning. Nat. Neurosci. 1, 230-234 (1998).
- Farr, T. D., Whishaw, I. Q. Quantitative and qualitative impairments in skilled reaching in the mouse (Mus musculus) after a focal motor cortex stroke. Stroke J. Cereb. Circ. 33, 1869-1875 (2002).
- Huang, V. S., Haith, A., Mazzoni, P., Krakauer, J. W. Rethinking motor learning and savings in adaptation paradigms: model-free memory for successful actions combines with internal models. Neuron. 70, 787-801 (2011).
- Smith, M. A., Ghazizadeh, A., Shadmehr, R. Interacting adaptive processes with different timescales underlie short-term motor learning. PLoS Biol. 4, (2006).
- Pavlides, C., Miyashita, E., Asanuma, H. Projection from the sensory to the motor cortex is important in learning motor skills in the monkey. J. Neurophysiol. 70, 733-741 (1993).
- Paz, R., Boraud, T., Natan, C., Bergman, H., Vaadia, E. Preparatory activity in motor cortex reflects learning of local visuomotor skills. Nat. Neurosci. 6, 882-890 (2003).
- Paz, R., Vaadia, E. Learning-induced improvement in encoding and decoding of specific movement directions by neurons in the primary motor cortex. PLoS Biol. 2, (2004).
- Plautz, E. J., Milliken, G. W., Nudo, R. J. Effects of repetitive motor training on movement representations in adult squirrel monkeys: role of use versus learning. Neurobiol. Learn. Mem. 74, 27-55 (2000).
- Hosp, J. A., Pekanovic, A., Rioult-Pedotti, M. S., Luft, A. R. Dopaminergic projections from midbrain to primary motor cortex mediate motor skill learning. J. Neurosci. 31, 2481-2487 (2011).
- Adkins, D. L., Boychuk, J., Remple, M. S., Kleim, J. A. Motor training induces experience-specific patterns of plasticity across motor cortex and spinal cord. 101, 1776-1782 (2006).
- Whishaw, I. Q. An endpoint, descriptive, and kinematic comparison of skilled reaching in mice (Mus musculus) with rats (Rattus norvegicus). Behav. Brain Res. 78, 101-111 (1996).
- Xu, T., et al. Rapid formation and selective stabilization of synapses for enduring motor memories. Nature. 462, 915-919 (2009).
- Fu, M., Yu, X., Lu, J., Zuo, Y. Repetitive motor learning induces coordinated formation of clustered dendritic spines in vivo. Nature. 483, 92-95 (2012).
- Whishaw, I. Q., Whishaw, P., Gorny, B. The structure of skilled forelimb reaching in the rat: a movement rating scale. J .Vis. Exp. , (2008).
- Bailey, K. R., Crawley, J. N. Anxiety-Related Behavior in Mice. In Buccafusco JJ (Ed.) Methods of Behavior Analysis in Neuroscience. Chapter 5, 2nd ed. , (2009).
- Yu, X., Zuo, Y. Spine plasticity in the motor cortex. Curr. Opin. Neurobiol. 21, 169-174 (2011).
- Qian, Y., Chen, M., Forssberg, H., Diaz Heijtz, R. Genetic variation in dopamine-related gene expression influences motor skill learning in mice. Genes Brain Behav. 12, 604-614 (2013).
- MacLellan, C. L., Gyawali, S., Colbourne, F. Skilled reaching impairments follow intrastriatal hemorrhagic stroke in rats. Behav. Brain Res. 175, 82-89 (2006).
- Hong, S. M., et al. Reduced hippocampal neurogenesis and skill reaching performance in adult Emx1 mutant mice. Exp. Neurol. 206, 24-32 (2007).
- Bureau, G., Carrier, M., Lebel, M., Cyr, M. Intrastriatal inhibition of extracellular signal-regulated kinases impaired the consolidation phase of motor skill learning. Neurobiol. Learn. Mem. 94, 107-115 (2010).
- McCormick, D. A., Lavond, D. G., Thompson, R. F. Neuronal responses of the rabbit brainstem during performance of the classically conditioned nictitating membrane (NM)/eyelid response. Brain Res. 271, 73-88 (1983).
- Molinari, M., et al. Cerebellum and procedural learning: evidence from focal cerebellar lesions. Brain. 120, 1753-1762 (1997).
- Willuhn, I., Steiner, H. Motor-skill learning in a novel running-wheel task is dependent on D1 dopamine receptors in the striatum. Neuroscience. 153, 249-258 (2008).
