Summary
Práctica persistente mejora la precisión de los movimientos coordinados. Aquí se introduce una tarea de llegar a un solo gránulo, que está diseñado para evaluar el aprendizaje y la memoria de la extremidad anterior de habilidad en ratones.
Abstract
El alcanzar para y recuperar objetos requieren movimientos motores precisas y coordinadas en la extremidad anterior. Cuando los ratones están capacitados para comprender y recuperar recompensas de comida situados en una ubicación específica, su rendimiento del motor (que se define como la precisión y la velocidad) mejora progresivamente con el tiempo, y las mesetas después del entrenamiento persistente en varias ocasiones. Una vez que tal habilidad de llegar se domina, su posterior mantenimiento no requiere una práctica constante. Aquí presentamos una tarea de llegar a un solo pellet para estudiar la adquisición y mantenimiento de los movimientos de las extremidades anteriores cualificados en ratones. En este video, lo primero que describen el comportamiento de los ratones que se encuentran comúnmente en el aprendizaje y la memoria paradigma y, a continuación, discutimos cómo clasificar estas conductas y cuantificar los resultados observados. Combinado con la genética del ratón, este paradigma se puede utilizar como una plataforma de comportamiento para explorar las bases anatómicas, las propiedades fisiológicas, y mecanismos moleculares de aprendizaje y la memoria.
Introduction
Entender los mecanismos de aprendizaje subyacente y la memoria es uno de los mayores retos de la neurociencia. En el sistema motor, la adquisición de nuevas habilidades motoras con la práctica se refiere a menudo como el aprendizaje motor, mientras que el mantenimiento de las habilidades motoras aprendidas anteriormente es considerado como la memoria del motor 1. El aprendizaje de una nueva habilidad motora se refleja generalmente en la mejora del rendimiento del motor deseado con el tiempo, hasta un punto en que la habilidad de motor o bien se perfeccionó o satisfactoria consistente. Para la mayoría de los casos, la memoria del motor adquirido puede persistir durante un largo período de tiempo, incluso en la ausencia de la práctica. En los seres humanos, los estudios de neuroimagen mediante tomografía por emisión de positrones (PET) y la resonancia magnética funcional (fMRI) han demostrado que la corteza motora primaria (M1) cambios de actividad durante la fase de adquisición de las habilidades motoras de aprendizaje 2-4, y la interferencia temporal de la actividad por la M1 baja frecuencia de estimulación magnética transcraneal conduce a signinificativamente perjudica la retención de mejoría en el comportamiento del motor 5. Del mismo modo, la formación específica-extremidad anterior en ratas induce plasticidad funcional y anatómica en el M1, ejemplificada por el aumento tanto de la actividad de c-fos y la relación de sinapsis / neurona en el M1 contralateral a la extremidad anterior entrenado durante la última fase de las habilidades motoras de aprendizaje 6. Por otra parte, un paradigma de formación similar que también fortalece la capa 2/3 conexiones horizontales en el contralateral M1 correspondiente a la extremidad anterior entrenado, lo que resulta en una reducción de la potenciación a largo plazo (LTP) y el aumento de la depresión a largo plazo (LTD) después de ratas adquieren las tareas 7. Dicha modificación sináptica, sin embargo, no se observa en las regiones corticales M1 correspondiente a la extremidad anterior no entrenado o miembros posteriores 8. Alternativamente, cuando el M1 se daña por accidente cerebrovascular, hay deficiencias dramáticas en las extremidades anteriores habilidades motoras específicas 9. Mientras que la mayoría de los estudios sobre el comportamiento de motor se han llevado a cabo en los seres humanos, el monos, y las ratas 2-8,10-17, los ratones se convierten en un sistema de modelo atractivo debido a sus potentes genética y bajo costo.
Aquí se presenta un paradigma de aprendizaje motor habilidad forelimb específica: una tarea de llegar a un solo pellet. En este paradigma, los ratones están capacitados para extender sus patas delanteras a través de una estrecha ranura para captar y recuperar bolitas de comida (semillas de mijo) situadas en una ubicación fija, un comportamiento análogo a aprender tiro con arco, dardos lanzar, y pelotas de baloncesto de disparo en humano. Esta tarea de llegar se ha modificado a partir de estudios de ratas anteriores que han mostrado resultados similares entre los ratones y las ratas 18. Utilizando imágenes transcraneal de dos fotones, nuestro trabajo previo ha seguido la dinámica de las espinas dendríticas (estructuras postsinápticas de las sinapsis excitadoras mayoría) en el tiempo durante este entrenamiento. Se encontró que una sola sesión de entrenamiento condujo a un rápido surgimiento de nuevas espinas dendríticas en las neuronas piramidales en la corteza motora contralateral a la extremidad anterior entrenado. Sformación ubsequent de la misma tarea de llegar a estabilizarse preferentemente estas espinas inducida de aprendizaje-, que persistió mucho después de terminada la formación 19. Por otra parte, las espinas que surgieron durante las repeticiones de llegar tarea tendían a agruparse a lo largo de las dendritas, mientras que las espinas que se forman durante la ejecución tándem de alcanzar la tarea y otra tarea motor forelimb específica (es decir, la tarea de manipulación pasta) no se agrupan 20.
En el presente vídeo, se describe paso a paso la instalación de este paradigma del comportamiento, de la privación de alimento inicial para dar forma, y para el entrenamiento motor. También se describen los comportamientos comunes de los ratones durante el proceso de ejecución de este paradigma de comportamiento, y cómo se clasifican y se analizaron estos comportamientos. Por último, se discuten las medidas de precaución necesarias para ejercer tal paradigma de aprendizaje y los problemas que pueden encontrarse durante el análisis de datos.
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Protocol
Los experimentos descritos en este manuscrito se realizaron de acuerdo con las directrices y normas establecidas por la Universidad de California, Santa Cruz Institucional Cuidado de Animales y el empleo Comisión.
1. Configuración (Véase también Lista de Materiales)
- Utilice semillas de mijo como bolitas de comida.
- Utilice una clara cámara de formación de plexiglás hechos a medida (20 cm de alto, 15 cm de profundidad, y 8,5 cm de ancho, medido desde el exterior, con el espesor de la plexiglás 0,5 cm) que contiene tres ranuras verticales (una hendidura en el borde 'dar forma', y dos ranuras en el borde opuesto "formación"). Las ranuras verticales deben ser 0,5 cm de ancho y 13 cm de altura y ser situado en la pared frontal de la caja: en el centro, en el lado izquierdo, y en el lado derecho (Figura 1A).
- Utilice una bandeja inclinada para mantener las semillas utilizadas durante las sesiones que configuran. La bandeja puede ser por encargo a partir de tres láminas de vidrio (fig. 1B).
- Prepare una plataforma de alimentos (8,5 cm de largo, 4,4 cm de ancho, y 0,9 cm de altura). Esta plataforma comida se coloca en la parte frontal (frente al entrenador) de la cámara de formación durante las sesiones de entrenamiento. Hay dos ranuras divot sobre la plataforma de alimentación para las semillas de posicionamiento, una ranura a la izquierda, y la otra ranura en el lado derecho. Las chuletas son 0,3 cm del borde largo y 2,4 cm del borde ancho (Figura 1C). La ranuras divot izquierdo y derecho corresponden a la ranura izquierda y derecha en la cámara de formación de ratón y se utilizan para el entrenamiento de los miembros delanteros dominantes. El propósito de tener estas ranuras divot es para asegurar que la semilla se coloca constantemente en el mismo lugar para cada intento de alcanzar.
- Durante las sesiones tienen en la mano un par de pinzas, balanza, y cronómetro.
2. Privación de alimentos (2 días)
- Pese cada ratón para obtener un peso corporal basal antes de la privación de alimentos.
- Food-restringir los ratones durante 2 días para iniciar peso corporalpérdida. Como punto de partida general, los ratones se les da 0.1 g de alimento por 1 g de peso corporal por día (por ejemplo, un ratón que pesa 15 g, por lo general se inicia con 1,5 g de alimento). Ajustar la cantidad de alimento basado en el peso corporal de línea de base, la tasa de pérdida de peso, el sexo y la edad de los ratones. Mientras que el peso corporal puede continuar para disminuir un poco más durante la fase de conformación, tales peso corporal reducido (es decir, ~ 90% del peso línea de base original) debe mantenerse a lo largo de la formación (Figuras 2A y 2B). La cantidad de alimento necesaria para mantener el peso corporal del ratón es típicamente la misma que la cantidad utilizada en la restricción.
3. Shaping (3-7 días)
- Aclimatación hábitat Grupo (Día 1): Poner dos ratones en la cámara de formación al mismo tiempo. Coloque aproximadamente 20 semillas / ratón dentro de la cámara para su consumo. Permita que los ratones permanezcan en la cámara durante 20 minutos y luego poner de nuevo en su casajaula.
- Aclimatación individual hábitat (Día 2): la misma configuración que en el paso 3.1, pero los ratones lugar en la cámara de formación individual. El propósito del grupo y aclimatación individuo hábitat es conseguir que los ratones están familiarizados tanto con la cámara de la formación y las semillas de mijo.
- Determinación de la posición dominante de la extremidad anterior (día 3 y posteriores): Coloque el lado de hendidura única de la cámara de la formación orientada hacia abajo (Figura 1D). Llene la bandeja de comida con las semillas. Pulse la bandeja de comida contra la pared frontal de la cámara de formación para permitir que las semillas accesible para el ratón. Coloque los ratones en la jaula de forma individual. Si son suficientemente interesado en las semillas situadas en la bandeja de comida, que serían arado a través de la rendija para obtener la semilla en su interior. A continuación, recoger las semillas y los consuma. "Shaping" se considera terminada cuando se cumplen las dos de los siguientes criterios: 1) el ratón realiza 20 intentos que llegan dentro de 20 minutos, y 2) más del 70% alcances son performed con una extremidad anterior.
Notas:
- Si el ratón utiliza su lengua para obtener las semillas dentro de la cámara, mueva de nuevo la bandeja de la ranura ligeramente. El aumento de la distancia de llegar desalienta el ratón para utilizar su lengua para adquirir la semilla y por lo tanto facilita su extremidad anterior alcanzando.
- Si el ratón no puede terminar la conformación dentro de una semana, la caída desde el experimento.
4. Formación (8 + días)
- Coloque el lado de la doble rendija de la cámara de la formación orientada hacia abajo (Figura 1E).
- Coloque los ratones en la jaula de forma individual. Ponga las semillas individuales en la plataforma de los alimentos en el divot correspondiente a la pata preferido (es decir, para el ratón de mano derecha, utilice la ranura en el lado derecho del ratón).
- Observar el comportamiento de alcanzar ratón y marcar de acuerdo con las siguientes categorías:
- Éxito: El ratón llega con la pata preferente, agarra y retrieves la semilla, y la inyecta a la boca.
- Caída: El ratón llega con la pata preferente, agarra la semilla, pero la deja caer antes de ponerlo en su boca.
- Falla: El ratón llega con la pata preferente hacia la semilla, pero tampoco alcanza la semilla o llama, se fuera de la placa de sujeción.
- Capacitar a los ratones durante 30 intentos alcance sobre el miembro preferido o 20 minutos (lo que ocurra primero) por día.
- Coloca los ratones de vuelta a su jaula después de entrenar y proporcionar cuántica comida diaria.
Notas:
- En algunos casos, los ratones alcanzan incluso cuando no hay semillas colocado en la plataforma de alimentación. Estos alcances son considerados "-en vano alcances" y no se cuentan para el número total de intentos de alcance. Para desalentar "-en vano alcances", los ratones del tren a caminar de vuelta al otro extremo de la cámara de formación antes de colocar la siguiente siembra. Una estrategia similar ha sido utilizado en la ratas para una tarea de comportamiento similares 21. Los ratones a veces también llegan con la pata no preferido en presencia de la semilla. Estos alcances se consideran 'alcances' contralateral y no cuentan para el número total de partes más tampoco.
- Para limitar las variaciones del comportamiento debidos a las fluctuaciones en el ritmo circadiano, lleve a cabo todas las sesiones de la conformación y capacitación al mismo momento del día, durante las horas normales de vigilia para los ratones.
- Para evitar la variación del comportamiento debido a los diferentes entrenadores, asegúrese de que la misma persona se entrena los mismos ratones durante todo el experimento.
- La atención de los ratones es crítico para esta prueba de comportamiento. Capacitar a los ratones en una habitación separada y tranquila para reducir al mínimo la perturbación del medio ambiente.
- Los ratones pueden ser capacitados con más de 30 alcanza al día (por ejemplo, 50 tramos). Aumentar el número de intentos que alcanzan permite examinar la mejora del comportamiento dentro de la misma sesión de entrenamiento.
5. DatUna cuantificación
Hay muchas maneras de cuantificar el comportamiento del ratón después de la capacitación. Dos análisis más directo son:
- Tasa de éxito = alcances más exitosos intentos alcanzando el total, que se presentan como porcentajes. Las tasas de abandono y fracaso se pueden trazar la misma manera.
- Velocidad de éxito = número de intentos exitosos dividido por el tiempo, presentó alcances como exitosas por minuto. En la mayoría de los casos, la velocidad de éxito sigue aumentando, incluso cuando la tasa de éxito alcanza la meseta.
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Representative Results
Curva de aprendizaje:
El dominio de una habilidad motora a menudo requiere la práctica persistente en el tiempo. Una curva típica promedio de aprendizaje se compone de dos fases: una fase de adquisición inicial durante el cual la tasa de éxito mejora progresivamente, y una fase de consolidación más tarde, cuando la tasa de éxito alcanza la meseta (Figura 2C). Debe tenerse en cuenta las curvas de aprendizaje de los ratones individuales varían, diferentes ratones tienen diferente número de días para alcanzar el nivel de la meseta, y las curvas de aprendizaje individuales por lo general no son tan suaves como el promedio. Otra manera de presentar la mejora del ratón de habilidades que alcanzan es la velocidad de éxito, lo que refleja el rendimiento global del motor mediante la adopción de las cuentas de la velocidad alcanzando así como la precisión. En general, la velocidad de éxito sigue mejorando después de que el ratón llega a su tasa de éxito meseta (Figura 2D).
Además de la variación individuals de rendimiento, algunos ratones no aprenden la tarea (Figura 2E). Estos "nonlearners" suelen hacer los primeros intentos para llegar a las semillas, pero por razones desconocidas funcionan mal a pesar de entrenamiento repetitivo. Por lo general, pierden el interés en llegar a las semillas después del fallido intento continuamente y dejar de llegar después de 6-8 días. Por el contrario, algunos ratones son sobre-conformado (Figura 2E). Estos más de forma de los ratones por lo general comienzan con una tasa de éxito muy alta (> 40%), y no hacer una mejora significativa (es decir, 15% de aumento en la tasa de éxito en comparación con el primer día de entrenamiento) en el rendimiento del motor con la formación continua. Sus curvas de aprendizaje se mantienen relativamente estables, o incluso pueden disminuir con la formación continua.
La memoria del motor:
Nuestros datos anteriores han sugerido que una vez que un movimiento experto de motor se domina a través de la práctica repetitiva, que puede ser almacenado como una forma de memoria de motor y más prácticoCES no son necesarios para su mantenimiento 19. Esta memoria del motor se puede medir por detener el entrenamiento después de los ratones han llegado a nivel de la meseta de las tasas de éxito, y volver a probar su rendimiento después de un período de descanso extendido (por ejemplo, un par de meses). Ratones nueva formación por lo general comienzan con tasas de éxito comparables como han observado al final de la formación anterior, y mantener una alta tasa de éxito en los días posteriores. Por el contrario, los ratones no tratados de la misma edad por lo general comienzan con tasas de éxito significativamente más bajos y mejorar progresivamente su desempeño con la práctica 19 (Figura 2F). Si bien es necesaria la privación de alimentos (2 días) antes del comienzo de la reconversión, la remodelación de los ratones previamente entrenado no es necesario.
Figura 1. Diseño de la capacitación del ratóncámara. A. Una fotografía de la cámara de formación, con dimensiones indicadas. B. Una fotografía de la bandeja de semillas de conformación, a partir de tres diapositivas pegadas entre sí y colocados en frente de la cámara de conformado. Una pila de semillas de mijo se colocan en el canal de la bandeja de semillas. C. Una fotografía de la bandeja de alimentos para la capacitación, colocado en frente de la cámara de formación. Una semilla de mijo se coloca en la chuleta (señalado por las flechas) que corresponde a la formación de la extremidad anterior derecha. Las dimensiones y la ubicación de la chuleta se indican en la fotografía. D. Un dibujo de la historieta de la cámara de conformado. El lado de una sola ranura de la cámara de formación se coloca hacia abajo. Las semillas se colocan en frente de la ranura media y ratones puede utilizar ambas patas para arar las semillas. E. Un dibujo de la historieta de la cámara de formación. El lado de la doble rendija de la cámara de formación se coloca hacia abajo. Una semilla se coloca en la bandeja de comida en frente de la cámara de sLit correspondiente a la extremidad preferida (en este caso, la extremidad anterior derecha). (D y E, modificado a partir de Xu et al. 19). Haga clic aquí para ver la imagen más grande.
Figura 2. Los resultados representativos de ratón de un solo pellet alcanzando tareas. A. Una línea de tiempo general del diseño experimental. B. Un ejemplo de pérdida de peso corporal durante un solo ratón durante la privación de alimentos (F), dando forma (S), y la formación (T). C . Las tasas promedio de éxito mejoran con el tiempo durante el entrenamiento (n = 39). D. velocidad promedio de éxito del mismo grupo de ratones presentado en C. tarifas E. Éxitodurante el entrenamiento para una sobre-en forma de ratón y un ratón no aprendizaje. F. rendimiento del motor de pre-entrenado (n = 14) y no tratados (n = 10) ratones adultos durante el entrenamiento de 4 días (modificado a partir de Xu et al. 19). Todos los datos se presentan como media ± sem, ***, P <0.001. Haz clic aquí para ver la imagen más grande.
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Discussion
Importancia de la fase de conformación:
Debido al aumento de la ansiedad de estar en un entorno desconocido, por lo general es difícil para los ratones para ser capacitados en un ambiente novedoso 21,22. Por lo tanto, el objetivo de la formación es familiarizar a los ratones con la cámara de la formación, el formador (es decir, reducir sus niveles de ansiedad), y los requisitos de la tarea (por ejemplo, para identificar las semillas como fuente de alimento). Otro objetivo de la formación es determinar las extremidades preferidas de ratones individuales para la formación futura. Durante la conformación, es fundamental que no tienen forma de exceso de los ratones, ya que puede proporcionar "alcanzando las sesiones de práctica" no deseados, lo que falsamente inflar la tasa de éxito en la fase inicial de aprendizaje, lo que resulta en poco o nada de la posterior mejora de la tasa de éxito en más tarde el entrenamiento (Figura 2E). En estos casos, en lugar de simplemente arar la semilla en la jaula y luego recogerlo para comer, la forma de sobre-los ratones que ya comenzaron a desarrollar las habilidades que llegan durante la fase de conformación. La única manera de limitar el exceso de formación es la observación aguda durante las sesiones de conformación. Más en forma de ratones deben ser excluidos del análisis de datos. Por otra parte, es igualmente importante que los ratones no son-bajo forma. Si el ratón no reconoce las semillas de mijo como la fuente de alimento, si el ratón no está familiarizado con el requisito de trabajo, y / o si el ratón es demasiado ansioso, se experimentan dificultades durante las sesiones de entrenamiento y probablemente va a terminar como un nonlearner (Figura 2E, consulta "nonlearners" más abajo).
La implementación de controles adecuados:
Para determinar si o no los cambios asociados se deben a aprendizaje motor alcanzando-específica, es importante para poner en práctica las diversas formas de controles. Varios controles se pueden utilizar: 1) El grupo control general: en este grupo, los ratones no experimentan el entrenamiento o formación, pero la restricción de alimentos, larecompensa de alimentos (semillas), y la manipulación. 2) El grupo de control conformado: ratones de este grupo de la experiencia del período de formación como se ha descrito anteriormente (véase protocolos), sin embargo no están capacitados posteriormente. En lugar de ello, se colocan en la jaula de formación durante 20 min, y siempre con aproximadamente 20 semillas / ratón. El grupo de control conformado es útil para determinar si la experiencia del período de formación causó ninguna plasticidad en las áreas del cerebro interesadas. 3) El grupo de control de la actividad: en este grupo, los ratones experimentan exactamente las mismas condiciones que los ratones entrenados, excepto durante el período de formación, la semilla se coloca siempre fuera del rango de alcance o en manos del entrenador. Por lo tanto, la actividad de los músculos de las extremidades anteriores es similar a los ratones entrenados, pero los ratones en el grupo control de la actividad, a diferencia de los ratones entrenados, no adquiere las habilidades alcance. Promover intentos que llegan continuas, las semillas se caen periódicamente en la cámara de formación de la rendija de llegar, y los ratones recogerían los sEEDS para el consumo. La mayoría de los controles de actividad renunciar a llegar después de 6-8 días de entrenamiento.
Nonlearners:
No está claro por qué algunos ratones aprenden mientras que otros no. Especulando de nuestras experiencias, algunas de estas nonlearners pueden resultar de juicio equivocado de la preferencia de la pata, por lo tanto la adquisición de circulación calificada se ve obstaculizada por la formación de la extremidad no dominante. También es posible que, en virtud de conformación es responsable de estos nonlearners, para estos ratones no aún no están claros en la exigencia de tareas y / o cómodo con el entorno de prueba. Otras posibles razones incluyen la pérdida de peso demasiado rápido y / o exceso de pérdida de peso, mientras que otros podrían haber perdido no lo suficiente de peso, en el que cualquiera de los casos, ayudará a disminuir el nivel de hambre y motivación impedido de llegar a la comida, con lo que el proceso de aprendizaje difícil . Independientemente de las razones, estas nonlearners no adquieren ni a dominar las habilidades de largo alcance, y pueden ser treated como un tipo adicional de grupo de control, como complemento de los diversos tipos de controles mencionados anteriormente.
Circuitos para el aprendizaje motor y la memoria:
Muchas regiones del cerebro han sido identificados para participar en el aprendizaje motor. Además de la corteza motora primaria 6,7,19,23, muchas otras regiones del cerebro tales como la nigra sustancial y el área ventral tegmental 16,24, cuerpo estriado 25, y el hipocampo 26 se han sugerido también para jugar papeles importantes en la sola semilla alcanzando tarea introducido aquí. Por lo tanto, la única semilla alcanzar tarea puede ser útil para estudiar muchas regiones discriminatorias del cerebro de roedores asociado con el aprendizaje motor. Por otra parte, hay una gran cantidad de otras tareas de motor, cada uno con su propio patrón temporo de ejecución motora, así como cerebrales macro / micro estructuras involucradas. Por ejemplo, el rodillo giratorio acelerado se ha utilizado para estudiar la memoria del motor a largo plazo tanto en el cuerpo estriado y hipocampopus 27, el retardo de respuesta acondicionado de ojos parpadean involucra implícito el aprendizaje motor procesal que está mediado predominantemente por el cerebelo 28,29, mientras que la tarea en ejecución ruedas depende el buen funcionamiento del cuerpo estriado dorsal 30. Incluso para las tareas motoras que inducen la reorganización de la sinapsis en la corteza (es decir, la tarea de manipulación Capellini y-sola pastilla tarea de llegar), diferentes conjuntos de sinapsis son propensos a estar involucrados en diferentes tareas 19. Estos datos sugieren que cada tarea de motor podría tener su propia codificación neural específica, mediante el reclutamiento de diferentes regiones del cerebro, las poblaciones neuronales y conjuntos de sinapsis. Experimentos apropiados deben ser utilizados para estudiar las diferentes estructuras cerebrales y circuitos de motor.
En resumen, hemos introducido un protocolo detallado sobre la forma de realizar la tarea de llegar a un solo pellet en ratones. Este protocolo fiable y válida será de utilidad para los futuros investigadores que estén interesados en el estudio de biochemical, cambios estructurales, fisiológicos y genéticos en muchas regiones discriminatorias del cerebro del ratón asociada con el aprendizaje motor y la formación de la memoria.
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Disclosures
Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.
Acknowledgments
Este trabajo es apoyado por una beca (1R01MH094449-01A1) del Instituto Nacional de Salud Mental de YZ
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Training chamber in clear acrylic box | For dimensions, see Figure 1A | ||
| Tilted tray for shaping | Custom-made from glass slides, see Figure 1B | ||
| Food platform for training | For dimensions, see Figure 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 |
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