Behavior

רכישת גבוהה דיוק מיומן Forelimb ההגעה משימה בחולדות

Published: June 22, 2015 doi: 10.3791/53010

Ajmal Zemmar*^1,2, Brigitte Kast*^1,2, Karin Lussi^1,2, Andreas R. Luft*³, Martin E. Schwab*^1,2

¹Brain Research Institute, University of Zurich, ²Department of Biology and Department of Health Sciences and Technology, ETH Zurich, ³Clinical Neurorehabilitation, Department of Neurology, University of Zurich & University Hospital Zurich

* These authors contributed equally

Introduction

שליטת תנועה היא פונקצית ליבה של מערכת העצבים המרכזית (CNS). Motricity הוא הפלט העיקרי למדידה של תפקוד מערכת העצבים המרכזית ואת האפשרות העיקרית ליחידים לאינטראקציה עם העולם החיצוני. הבנת העקרונות של תפקוד מוטורי והמנגנונים העומדים בבסיס הלמידה של משימת מנוע היא כיום אחד האתגרים הגדולים במדעי המוח. שינויים מורפולוגיים, פיסיולוגיים ומולקולריים נמצאו ברכישה של משימת מנוע חדשה. לדוגמא, הצורה ומספר הסינפסות לשנות בתגובה לאימון מוטורי מיומן ^1-5, ושינויים פונקציונליים של המכונות הסינפטי נצפו לאחר למידה מוטורית. תגובות Synaptic היו גבוהות יותר בחיבורים של האזור המייצג-forelimb של הקורטקס המוטורי המיומן בהשוואה לחץ הכדור מאומן של אותה החיה או לתגובות מבעלי חיים לא מאומנים ^6,7. תצפיות אלקטרו גם מצביעות על כך שהגברה לטווח ארוך (LTP) וארוכהדיכאון -term (בע"מ) כמו מנגנונים יתקיים במהלך הלמידה של מיומנות מוטורית חדשה, וכי הטווח של פעולה הסינפטי, אשר מוגדרת בין גבולות הגבלה של LTP ורוויה בע"מ, הוא שונה ^8. יתר על כן, זה כבר הראה כי סמני פעילות ופלסטיות קידום מולקולות כגון C-FOS, GAP-43, או BDNF אלא גם מולקולות מעכבות פלסטיות כגון תפקידים רגולטוריים Nogo-תצוגה לפלסטיות עצבית הקשורות ללמידה ^9-16.

התפתחויות הללו להבנה טובה יותר של מנגנוני למידה מוטורית יכולות להיות מושגת בשימוש בפרדיגמות התנהגות המאפשרות שליטה מדויקת של רכישת מיומנות מוטורית חדשה, למשל, להגיע forelimb מיומן בלבד. רק משימה התנהגותיות מובנה היטב מאפשרת לפקח וללכוד שינויי מתאם המתרחשים על למידה וביצוע של המשימה בהתאמה. כאן אנו חזותי להפגין גרסה שונה של forelimb המיומןמשימה להגיע יחידה גלולה בחולדות המותאמות מאל. ¹⁷ הפרדיגמה הציגה Buitrago et מאפשרת ניתוח של רכישת תנועה בתוך אימון יומי (בתוך מושב) המייצג את הרכיב למידה המהיר ורכישה ראשונית, כמו גם למידה מוטורית מיומנת מעל מספר מפגשים המייצג את הרכיב האיטי למידה ותחזוקה של המשימה למדה ¹⁸ (בין המושב). חשוב לציין, הפרדיגמה התנהגות זו מעלה את דרגת קושי והמורכבות של משימת המיומנות המוטורית בשל שתי תכונות: ראשית, החולדות מאומנות להסתובב צירם לאחר כל אחיזה ובכך ליישר מחדש את גופם לפני הישג יד גלולה הבאה ולחדש הנטייה הגוף, מניעת ביצוע תנועה מתמדת מאותה הזווית. שנית, כדורי אחזור מפוסט אנכי להציב מול הכלוב. בשל הקוטר הקטן של הפוסט, יכולים בקלות להיות בעט כדורים מדורשים אחיזה מדויקת לאחזור ועמ 'מוצלחיםreventing פשוט מושך של גלולה לבעלי החיים.

בדיקות התנהגותיות מורכבות כזה מאפשרת תובנות עמוקות יותר אל תוך מנגנוני למידה מוטורית. בהשוואה לעכברים, חולדות הן מעולים בביצועיהם של משימות התנהגותיות מורכבות ולכן מתאימים יותר לפרדיגמות מורכבות כפי שהוצגו במחקר זה. בהתחשב באפשרויות הגנטיות הגדלת זמינה לחולדות ^19,20, השילוב של שיטות בדיקת התנהגות מדויקות ומבוקרות היטב עם מניפולציות גנטיות, הדמיה וטכניקות פיסיולוגיות מייצג ארגז כלים רבי עוצמה כדי להבין את הבסיס הנוירו-הביולוגי של למידה מוטורית וזיכרון טוב יותר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כל הניסויים בוצעו בהתאם להנחיות של לשכת הווטרינרית של קנטון ציריך, שווייץ.

1. טיפול בבעלי חיים והרגלה

טיפול בבעלי חיים
הערה: 5 ימים לפני תחילת הניסוי, לבצע צעד 1.1.1 יומי.
1. לניסויים התנהגותיים, להרגיל את בעלי החיים לניסוי. יום האם טיפול הפעלות נמשכות 10-15 דקות לכל בעל חיים. נקה את התיבה לאחר הפגישה של כל בעלי חיים.
  1. בתחילה, למקם את ידו של הנסיין לכלוב המאפשר לבעלי החיים לחקור ולהריח להפוך להכיר את הניסוי.
  2. בשלב הבא, בעדינות להרים את החיה עם היד של הנסיין בצורה בטוחה על ידי אחיזה בגופו של העכברוש בין כפות הקדמיות ואחוריות המאפשרות היכרות נוספת.
2. לשקול כל חיה יומית כדי להשיג משקל גוף בסיסי לפני מניעת מזון.
3. מנגנון הרגלה והיכרות מזון
  1. לשקול כל חיה יומית כדי להשיג משקל גוף בסיסי לפני מניעת מזון.
  2. התחל מזון לשלול חולדות 3 ימים לפני תחילת מראש אימונים בדיאטת מעבדה סטנדרטית. תן חולדות 0.05 גרם של מזון למשקל גוף 1 גרם ליום (לדוגמא, חולדה במשקל 200 גרם, להתחיל עם 10 גרם של מזון). ודא משקל גוף לא להקטין יותר מ -10% ליום על ידי ניטור משקל גוף ביום.
    1. אם מספר בעלי חיים מוחזקים בכלוב אחד, חולדות דומיננטיות עלולות לאכול יותר מפחות דומיננטי. במקרה של משקל גוף ירידות חיה, להאכיל את החיה בנפרד במקום האכלת קבוצה. תן כרצונך מים.
  3. להכיר את העכברוש עם מנגנון האחיזה, למקם את בעל החיים לתוך תיבת האימונים (איור 1). יש כדורי סוכר הניחו בתיבת האימון בסמוך לפתיחת החריץ לקרא את החיה עם כדורי מזון. בצע רח זהEP יומי דקות 10-15 במשך 3 ימים.
2. טרום אימון ולמידה מיומנות מוטורית
1. טרום אימון
  1. יום אחד לאחר ההיכרות, למקם את בעל החיים לתוך תיבת ההכשרה ולמקם את הכדור מקרוב לפתיחת החריץ כך ניתן להגיע אליו על ידי לשונו של בעל החיים. תכלול בעלי חיים שלאחזר כדורים עם forelimb במהלך אימון מראש
    הערה: בשלב זה, אחזור גלולה עם הלשון הוא קריטי ובדרך כלל שיטתו של בעל החיים של בחירה. פלטות צריכה להיות בכל מקרה לא הבין עם forelimb עד ליום הראשון של למידת מיומנות מוטורית לאפשר ניטור נאות של המשימה להגיע למדה. אחזור גלולה עם forelimb במהלך טרום הכשרה הוא קריטריון הדרה והיא ברוב המקרים לא נצפו.
  2. ללמד את החולדה לרוץ או לחלקו האחורי של הכלוב ולחזור לפתיחת הסדק או הצעד אחורה ולהסתובב הציר שלה על מנת לקבל את כדור המזון הבא עםהלשון. לאפשר זמן לבעלי החיים כדי לחקור את הכלוב, לרוץ לאחורי ולחזור לפתיחת הסדק. אם בעלי החיים לא נכון לבצע את המשימה, להשתמש במלקחיים כדי לטפוח בעדינות בחלקו האחורי סוף הכלוב ולתפוס את תשומת לבו של בעל החיים. ברגע שבעלי החיים הוא בחלקו האחורי, לטפוח בעדינות בחזית הכלוב כדי להנחות את בעלי החיים לפתיחת הסדק.
    הערה: לאחר החיה מגיעה לערך סטנדרטי מוגדר (למשל, 50 אחזורים גלולה מוצלחים עם הלשון בפחות מ -15 דקות), בעלי החיים כשיר לשלב למידת מיומנות המוטורית. ביום 1 ו -2 של טרום-אימונים, יכולים כבר להבחין לומדים מאינם לומדים. ניתן לשלול ללא לומדים מהמחקר בשלב זה. זה מקטין את ההסתברות שיש מספר גבוה של אי-לומדים במהלך שלב הלמידה המוטורית (2.2).
  3. במהלך קדם-אימון, מזון לשלול חולדות בדיאטת מעבדה סטנדרטית. תן כרצונך מים. לפקח על משקל גוף יומי לאורך כל תקופת המחקר. האםלא להשתמש באותו חדר לאמן חולדות זכרים ונקבה. להבטיח סביבה רגועה ונטול רעש לבעלי החיים.
2. קביעת העדפות Paw והלמידה מיומנות מוטורית
  1. במהלך הפגישה הראשונה של למידת מיומנות מוטורית, להחליף את השקופית מול החלון עם הודעה. מניחים את כדור הסוכר כ -1.5 סנטימטרים מהחלון על הפוסט, כך שבעלי החיים לא יכולים להגיע לכדור עם הלשון שלה אלא רק להחזיר אותו על ידי forelimb מדויק להגיע ולתפוס תנועה.
    1. לאכוף אחזור גלולה ידי forelimb, להשתמש במלקחיים כדי להביא בעדינות את הכדור הקרוב לפה של החיה ולחזור גלולה בעוד החיה מנסה הצריכה עם הלשון. לבצע משימה זו שוב ושוב עד שהחיה משתרעת forelimb ותופסת גלולה.
  2. מניחים את הפוסט המרכזי לפתיחת החלון. כדי לקבוע העדפת כפה, להתבונן הראשונים 10 ניסויים בזהירות על יום אימונים 1. יותר מ -70% מreacניסיונות הינג (כלומר, 7 מתוך 10) צריכים להיות מוצאים להורג באותו forelimb. אם זה לא יושג, להמשיך עם סיבוב של 10 מחקרים אחר עד שהגיע לסף של 70%.
  3. לאחר קביעת העדפת הכפה, להעביר את ההודעה לforelimb המועדף וליישר מרכזיים לגבול של פתיחת החלון. יישור כף העדיף פירוש ההודעה מוסטת בניגוד לכפת בהתאמה לאפשר זווית אופטימלית להשגת (איור 1, ג).
  4. לסווג משפט, מוגדר כגלולה חדשה שהוצגה לבעלי החיים, כמוצלח (להגיע, אחיזה, לאחזר ולאכול גלולה), ירידה (להגיע, אחיזה ולאבד גלולה במהלך אחזור) או להיכשל (לדפוק גלולה מהקורה). רשום כל משפט בגיליון שלך ולנתח את הנתונים לאחר הניסוי.
  5. בצע פגישה יומית אחת בהיקף של מספר מוגדר של ניסויים (למשל, 150) או זמן מרבי (לדוגמא, שעה 1) עבור כל חיה.
  6. לחקור דיוק וכוונון עדיןהתנועה באמצעות ניתוח ניסיון ראשון. ניסיון ראשון מוגדר על ידי אחיזה של גלולה בתנועה מונוליתית אחת ללא הפרעה, היסוס או חזרה על מרכיבי תנועה בודדים. להתבונן בזהירות כל אחיזה בחולדה.
    1. אם החולדה מהססת או חזר בהישג יד או מנסה כמה ניסויים כדי לתפוס את הכדור בצורה נכונה, שים לב למשפט המתאים כהצלחה, אך לא הניסיון ראשון. אם בעלי החיים תופסים את הכדור ביד אחת מונוליטי בהצלחה, לרשום את המשפט המתאים כניסיון ראשון מוצלח בטור נפרד בגיליון שלך.
  7. במהלך למידת מיומנות מוטורית, מזון לשלול חולדות בדיאטת מעבדה סטנדרטית. תן כרצונך מים. לפקח על משקל גוף יומי לאורך כל תקופת המחקר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

רכישת מיומנות המוטורית מוצלחת מושגת רק באמצעות תרגול עקבי. למרות שיקול זהיר של כל ההיבטים, כמה חולדות לא מצליחות ללמוד את המשימה (איור 2). אלה 'שאינם לומדים' או חסרי מוטיבציה וכתוצאה מכמה או נעדרו ניסיונות של אחזור גלולה מתחילת הניסוי או בדרך כלל לאבד עניין בהגעה לכדורים שהובילו לנכשלו ברציפות ניסיונות. לעומת זאת, חלק מבעלי החיים מראים התנהגות תוקפנית ועל-מוטיבציה וכתוצאה מכך מהיר מדי ומיהרו לתפוס ניסיונות שמובילים לכישלונות. קבוצה שלישית של לומדים לא מוצלחים הן אלה בעלי חיים שמתחילים בשיעורי הצלחה גבוהים ולא עושים שיפור משמעותי שמוביל ללקפוא על שמרים או אפילו ירד עקום למידה.

למידת מיומנות המוטורית מוצלחת מורכבת משני שלבים: מרכיב למידה מהיר המייצג רכישה ראשונית בדרך כלל נצפתה בתוך היום הראשון של אימוני מנוע (בתוך המושב; איור 4) המייצג את הרכיב איטי למידה וגיבוש המשימה למדה. בין מושב עקומות למידה מתאפיינות בעקומות למידה תלולות בימים 1-3 ורמת רמה בימים האחרונים של למידה.

כדי לנתח את הביצועים במהלך כל (ניתוח בתוך המושב) מושב יומי, לחלק את המספר הכולל של ניסויים לפחי 25 משפט (למשל, 6 זבל 150 ניסויים). לאחר הניסוי, לחשב את אחוז כדורים תפסו בהצלחה לכל סל על ידי חלוקת מספר ההצלחות בסל המתאים במספר הכולל של ניסויים ביום בהתאמה.

יש לשקול כי רכישת מיומנות מוטורית יכולה להשתנות בין בעלי חיים בודדים. חולדות שונות צריכים מספר שונה של ימים כדי להגיע לרמת הרמה. לפיכך, עקומות למידה של פרט הן רגיליםly לא חלק כמו העקומה למידה הממוצעת.

ביטוי נוסף ללמידה מוטורית מוצלחת הוא הניתוח של למידה מוטורית מכויל. כדי להעריך את ההיבט הזה, מדדנו את מספר כדורים תפסו בניסיון הראשון בתנועת מונוליטי ללא היסוס או הפרעה בהשוואה לכל כדורים שנמדדו בהצלחה (איור 5).

דוגמאות באיור 2 - 5 מראות את עקומות הלמידה של 150 כדורים תפסו / יום במשך 6 ימים. יום 1 מתייחס ליום הראשון של למידה מוטורית.

תיבת האימון עם הממדים שלו בהתאמה עיצוב של תיבת הכשרת עכברוש (): איור 1.. כדי למנוע שליפה של כדורים שאבדו בתוך הקופסה, הקרקע של חדר אימונים עשויה ממוטות מתכת , שדרכו איבד כדורים נופלים. צפה לסגור פתיחת החריץ והפוסט (ב '). שים לב למיקום של הפוסט מיושר מרכזי לפתיחת הסדק. (ג) דוגמא של עכברוש האחיזה בהצלחה גלולה דרך הפתח החריץ. שים לב להודעת העמדה השתנתה ואת הזווית וכתוצאה מכך לכיוון forelimb המועדף של בעלי החיים (במקרה זה נכון). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2:. דוגמא של בעלי חיים שלא להפגין רכישה מוצלחת של המיומנות המוטורית במהלך 6 ימים שיעור ההצלחה stagnates סביב 20% ללא שיפור בהכשרה נוספת.

מודעה / 53,010 / 53010fig3.jpg "/>
איור 3: ניתוח תוך-היום של אותה דוגמא, כפי שמוצג באיור 4. שיעור ההצלחה מחולק ל6 פחים של 25 כדורים הממחישים את השיפור בלמידה מוטורית במהלך פגישה אחת ביום. שים לב לשיעור הצלחה הראשוני במהלך 25 הניסויים הראשונים של 2 הימים הראשונים בהשוואה לשיעור ההצלחה הממוצע של הימים המתאימים באיור 4, כמו גם השיפור הכללי ביום 1 ו- 2 בהשוואה לאיור 4.

איור 4:. דוגמא של בעלי חיים עם עקומה אופיינית, מוצלחת למידה במהלך 6 ימי אחוז כדורים תפסו בהצלחה (שיעור הצלחה) מגבירה במהלך 3 הימים הראשונים ומגיע לרמה בימים שנותרו.

איור 5: הניסיונות הראשונים מוצלחים מוצגים בהשוואה למספר הכולל של כדורים הבינו בצורה נכונה כאמצעי ללמידת תנועה מכויל.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הפרדיגמה שמוצגת במחקר זה מותאם Buitrago et al ¹⁸ ושונה מהגלולה אחת הקלסית להגיע הפרדיגמה ¹⁷ בעיקר בשני היבטים.:

ראשית, לימוד שיפור במושב מאפשר ניתוח של המשימה למדה תוך יום אחד, אשר יכול לספק רמת המידע שונה כגון חקירה של הרכיב למידה המהיר בהשוואה לרכיב למידה האיטי מיוצג על ידי הערכים היומיים הממוצע (ראה איורים 3 ו -4). שנית, את הפרדיגמה ההתנהגות שהוצגה כאן מגדילה את דרגת קושי והמורכבות של משימת המיומנות המוטורית. בעלי החיים נאלצים ליישר מחדש נטייה הגוף ולהגיעה לפני כל אחזור גלולה. זה מונע ביצוע תנועה חוזר על עצמו פשוט מאותה הזווית ודורש התמצאות במרחב עמוקה. יתר על כן, כדורי אחזור מפוסט אנכי דק שממוקם מול הכלוב ודואר תואם את הקוטר של גלולה ולכן דורשת אחיזה מדויקת לאחזור מוצלח ומניעה פשוטה מושך של גלולה לבעלי החיים.

צעד חשוב מלמד את החיה לרוץ לחלקו האחורי של הכלוב ולחזור לפתיחת החריץ בלפני אימון. רומז חולדה למיקום הרצוי על ידי שימוש במלקחיים ובעדינות הקשה בלוח האחורי של הכלוב מסייע לבעלי החיים כדי להבין את המשימה. הנסיין צריך להשתמש בכלי זה בזהירות כovertapping מייצר יותר מדי רעש וממגר את בעלי החיים. ברגע שהעכברוש חזר לקדמת הכלוב, למקם כמה כדורי סוכר בפתיחת החריץ לבעלי החיים כדי להתרגל עם הטעם, הריח ומיקום של גלולה. עוד צעד קריטי הוא שליפת גלולה עם forelimb ביום הראשון של למידה מוטורית. בעלי החיים לעתים קרובות ממשיכים ניסיונות לשלוף את הכדור עם הלשון כלמד במהלך קדם-אימון. שימוש במלקחיים כדי להביא ה עדינותגלולה הדואר קרובה לפה של החיה והכחשה של גלולה תוך צריכת ניסיונות בבעלי החיים עם הלשון אוכפת את העכברוש להשתרע forelimb לאחזור גלולה מוצלח. המטרה היא לאפשר לבעלי החיים כדי לתפוס את הכדור מהמלקחיים באמצעות forelimb ולאחזר את גלולה הסוכר לפה שלה. ברגע שזה הושג, ניתן להציב כדורים בנחישות העדפת הפוסט וכפה ניתן להעריך. שני צעדים אלה הם החלקים החשובים ביותר של הניסוי כולו ודורשים גישה זהירה לבעלי החיים, כמו גם סבלנותו של הנסיין.

חשוב לציין כי הבדלים בלמידה קיימים בין בעלי חיים הבודדים ובין המגדר (גברים ללמוד איטיים יותר מאשר נקבות ¹⁸⁾ וזנים (לפי התצפיות שלנו, Sprague-Dawley חולדות משמשות בחולדות מחקר והארוך-אוונס זה להראות למידה טובה יותר בהשוואה ל למשל, חולדות לואיס). לפיכך, על מנת לעמוד באתגר דורשמפעלים של המשימה, שיעורי הצלחה עשויים לדרוש שינויים של הפרדיגמה בהתאם למין וזן. כדי לשמור על השונות נמוכות, לא לערבב זנים ומינים בסדרת ניסויים.

ובכן מובנה ופרדיגמות התנהגות שליטה הן בעלי חשיבות מכרעת ללימודים חוקרים קושרת סלולרית שבבסיס מנגנונים של התנהגות פתולוגית ופיזיולוגית. המשימות התנהגותיות מורכבות יותר שחולדות מסוגלות ללמוד לייצג יתרון חשוב של חולדות על עכברים. ההתקדמות המתמשכת בטכנולוגיות למניפולציות גנטיות בעכברים תאפשר בעתיד קרוב מאוד לבצע ניסויים בחולדות שהיו עד כה ניתן רק בעכברי ^19-21. בשילוב עם טכנולוגיות חדשניות וטכניקות הדמיה המאפשרות מניפולציה ממוקדת של מעגלים עצביים, פרדיגמות התנהגות בחולדות עשויות לפתוח אפיקים חדשים להבנה של עקרונות פיסיולוגיים ופתולוגיים של פונקציות מערכת עצבים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

עבודה זו מומנה על ידי תרומות של קרן המדע הלאומית השוויצרית (גרנט 31003A-149,315-1 לMES וגרנט IZK0Z3-150809 לAZ), לAZ היידי Demetriades הקרן, לMES מועצת המחקר האירופי ("Nogorise ') ו כריסטופר ודן ריב קרן (CDRF).

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Training box			Self Made
Pedestal			Self Made
Sugar pellets	TSE Systems Intl. Group		45 mg dustless precision pellets
Sprague Dawley rats			5-6 week old males
Laptop computer	Hewlett Packard
Stop Watch
Forceps	Fine Science Tools (FST)
Excel	Microsoft
Prism	GraphPad
Weighing scale
Counter