学习运动技能通过单颗粒到达任务小鼠学习

Behavior

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Summary

持续练习提高协调运动的精度。在这里,我们介绍一种单颗粒深远的任务,其目的是评估在小鼠的学习和前肢的记忆技能。

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Chen, C. C., Gilmore, A., Zuo, Y. Study Motor Skill Learning by Single-pellet Reaching Tasks in Mice. J. Vis. Exp. (85), e51238, doi:10.3791/51238 (2014).

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Abstract

为达到和检索对象需要精确和协调运动动作中的前肢。当小鼠被反复训练来掌握和持久性的训练之后取回定位在特定位置的食物奖励,其机动性能(定义为精度和速度)随时间逐步提高,并且台地。一旦达到这样的功力被掌握,其进一步维护不需要不断的实践。在这里,我们介绍一种单颗粒深远的任务,研究技术前肢运动小鼠的获取和维护。在这段视频中,我们首先描述小鼠被在此学习和记忆范式经常遇到的行为,然后讨论如何分类这些行为并量化观察到的结果。结合小鼠遗传学,这种模式可以用来作为一种行为的平台,探索解剖基础,生理特性,以及学习和记忆的分子机制。

Introduction

了解底层机制的学习和记忆是神经科学中最大的挑战之一。在电机系统,购置新的运 ​​动技能和实践通常被称为运动学习,而先前学到运动技能的保留被视为运动记忆1。学习一项新的运动技能通常是体现在改善所需的电机性能随着时间的推移,直到当运动技能要么是完善还是令人满意的一致点。在大多数情况下,所获取的运动记忆可以持续相当长的时间周期,即使是在没有实践的。在人类中,利用正电子发射断层扫描(PET)和功能磁共振成像(fMRI)的神经影像学研究表明,初级运动皮层(M1)的活性变化过程中运动技能学习2-4的采集阶段,并通过货币供应量M1的活动临时干预低频经颅磁刺激导致显ficantly打乱保留马达改善行为5。同样地,前肢特定训练对大鼠诱导功能和解剖可塑性中的货币供应量M1,在M1高速公路对侧前肢训练两者的c-fos基因的活性和突触/神经元的比例在运动技能学习6的后期增加例证。此外,类似的训练模式也加强层在对侧M1三分之二水平连接对应于训练的前肢,从而降低了长时程增强(LTP)和增强长期抑制(LTD)大鼠获得的任务7之后。例如突触修饰,然而,没有在对应于未受过训练的前肢或后肢8的M1皮层区域观察到。或者,当M 1是通过笔划损坏,有在前肢特定电动机技能9戏剧性的缺陷。虽然大多数电动机行为研究已经在人类,猴子进行s和大鼠2-8,10-17,小鼠会因为其强大的遗传学和低成本的一个有吸引力的模型系统。

在这里,我们提出了一个具体的前肢运动技能学习范式:单颗粒深远的任务。在这个范例中,老鼠被训练通过一个狭窄的缝隙的前肢伸到把握和检索定位在一个固定的位置,类似于学习射箭,飞镖投掷,射击和篮球在人类行为的食物颗粒(小米)。这达到了任务已经被修改已显示出小鼠和大鼠18之间类似的结果以前的大鼠的研究。利用双光子成像颅,我们以前的工作一直遵循的树突棘(多数为兴奋性突触的突触后结构)随时间的动态这次培训过程中。我们发现,一个单一的训​​练导致的锥体神经元新的树突棘的运动皮层对侧前肢训练迅速出现。 S同样深远的任务ubsequent培训优先稳定这些学习引起的刺,它坚持很久以后的训练结束19。此外,在达到任务的重复涌现刺倾向于沿着树突聚集,而串联到达执行任务,另一前肢专用电机的任务( 面食处理任务)过程中形成的刺没有集群20。

在本视频中,我们描述了一步一步的这种行为模式的设置,从最初的食品匮乏到整形,并以动作训练。我们还描述了小鼠的一般行为执行该行为范式的过程中,以及如何将这些行为进行分类和分析。最后,我们讨论到实践这样的学习模式所需的预防措施,并可能在数据分析中遇到的问题。

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Protocol

在这个手稿中描述的实验都是按照规定由加州大学圣克鲁兹分校的机构动物护理和使用委员会的准则和法规的规定执行。

1。设置(请参阅材料清单)

  1. 用小米种子为食物颗粒。
  2. 使用一个特制的有机玻璃明确培训室(20厘米高15厘米深,8.5厘米宽,从外部测量,用有机玻璃0.5厘米的厚度),其中包含三个垂直狭缝(一个狭缝上'塑造'的边缘,和两个狭缝在对面的“培训”边缘)。竖直狭缝要宽0.5厘米和13厘米高的和被设在框体的前面壁:在中央,左侧和右侧( 图1A)。
  3. 使用倾斜盘保持在塑造会话中使用的种子。该托盘可定做从三个载玻片( 图1B)。
  4. 准备相再一个食品平台(长8.5厘米,4.4厘米宽,0.9厘米高)。在培训期间该平台的食物放置在训练室的前侧(面向教练)。有用于定位的种子,一个时隙在左侧,并且在右侧的另一时隙中的食品的平台上的两个草皮槽。草皮为0.3厘米的长边,和2.4厘米的宽度边缘( 图1C)。左和右草皮槽对应于左和右缝在小鼠训练室,并用于支配前肢的训练。具有这些草皮槽的目​​的是确保种子是在对每个到达的尝试相同的地方放置一致。
  5. 在会议期间手边有一对镊子,称重秤和秒表。

2。食物被剥夺(2天)

  1. 称量每只小鼠食物匮乏之前获得基线体重。
  2. 食品限制老鼠2天体重开始损失。作为一般起点,小鼠给予将0.1g每天的食物每1克体重( 例如鼠标体重15克,我们通常开始用1.5克食物)。调整基于基线体重,体重减轻,性别,和小鼠的年龄的速率的食物量。虽然体重可能会继续在成型阶段减少多一点,这样减轻了机身重量( 〜90%的原始基准重量)应保持在整个训练( 图2A2B)。必要维持小鼠体重的食物的量通常与在限制使用量。

3。整形(3-7天)

  1. 集团的栖息地适应环境(第1天):将两只老鼠进入训练室在同一时间。将约20粒/鼠标在室内供他们消费。让老鼠留在室内20分钟,然后把它们放回自己的家笼。
  2. 个体适应环境的栖息地(2天):相同的设置如步骤3.1,但地方小鼠进入训练室分别。团体和个人栖息地驯化的目的是让老鼠熟悉这两种训练室和小米种子。
  3. 测定前肢主导地位(第3天及以后版本):将训练室朝下( 图1D)的单缝边。装满种子的食品托盘。按食品托盘靠在训练室的前壁,使种子接触到小鼠。将小鼠放入笼单独。如果他们是在位于托盘食物的种子足够的兴趣,他们会通过缝隙犁得到里面的种子。然后,他们将拿起种子和食用。 '塑造'被认为是完成当两个满足下列条件:1)鼠标内进行20分钟20到达的尝试,以及2)70%以上的河段为performed一个前肢。

注意事项:

  1. 如果鼠标使用了它的舌头,以获得种子进入室内,从缝隙稍微移动托盘回来。在到达距离的增加阻碍了鼠标使用它的舌头收购种子并因此促进其前肢深远。
  2. 如果鼠标不能完成一个星期内成形,从实验中删除​​它。

4。训练(8天以上)

  1. 将培训室朝下( 图1E)的双缝边。
  2. 将小鼠在笼子个别。把个人的种子食物的平台上对应于优先爪子( 右手鼠标,使用鼠标的右侧缝)的草皮。
  3. 观察小鼠到达的行为和按照以下类别的得分:
    1. 成功:鼠标达到与首选爪子,抓手和retrieves种子,并将其反馈到它的嘴里。
    2. 下降:鼠标达到与首选爪子,掌握种子,但把它放进嘴里之前丢弃。
    3. 失败:鼠标达到与对种子首选的爪子,但要么错过了种子或从保持板敲它关闭。
  4. 训练老鼠在每天的首选肢体或20分钟(以先到者为准)30到达尝试。
  5. 将小鼠回到自己的家笼训练后,并提供每天的食物量。

注意事项:

  1. 在某些情况下,小鼠甚至在没有种子放置在食品平台上达到。这样的河段被认为是“在徒劳河段”,不计算在到达尝试的总数。为了阻止“在徒劳河段”,火车小鼠放置下一个种子前步行回到训练室的另一端。类似的策略已经在大鼠被使用S表示了类似的行为的任务21。老鼠有时还与种子存在非首选爪子到达。这些河段被认为是'对侧达到“不向下游总数计数两种。
  2. 为了限制由于昼夜节律波动行为的变化,在每天的同一时间执行所有的整形和培训课程,在正常醒着的老鼠。
  3. 为了避免行为的变化,由于不同的培训师,确保同一个人训练在整个实验中相同的小鼠。
  4. 小鼠注意的是这个行为测试的关键。训练老鼠在一个单独的,安静的房间,以减少对环境的扰动。
  5. 小鼠可以有超过30训练每天达到( 例如 50到达)。增加达到尝试的次数,能够检查行为的改善相同的训练会话内。

5。 DAT一个量化

有很多方法下面的训练量化鼠标行为。两个最直接的分析是:

  1. 成功率=成功的达到了总深远的尝试,表现为百分比。降和故障率可绘制的方式相同。
  2. 成功的尝试除以时间的成功=号的速度,提出了每分钟为成功达到。在大多数情况下,成功的速度继续增加,甚至当成功率达到平台期。

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Representative Results

学习曲线:

一个运动技能的掌握往往需要随着时间的推移持续性的做法。一个典型的平均学习曲线是由两个阶段:初始捕获阶段在此期间,成功率逐步提高,而当成功率达到了高原( 图2C)以后的巩固阶段。应当指出的个别小鼠的学习曲线而变化,不同的小鼠采取不同天数达到坪值,并且单个的学习曲线通常是不一样平滑的平均之一。另一种方式来呈现你的鼠标的深远技能的改进是成功的速度,这反映了整体机动性能通过采取达到速度的帐户以及准确性。在一般情况下,成功的速度不断提高后的小鼠达到其高原成功率( 图2D)。

除了个体差异的性能秒,有些小鼠不能学习任务( 图2E)。这些“nonlearners”平时做初步尝试达到的种子,但不知什么原因表现不佳,尽管重复训练。他们普遍失去深远的种子权益后不断尝试失败,停止后6-8天到达。与此相反,一些小鼠过度成形( 图2E)。这些过形鼠标通常从一个非常高的成功率(> 40%),并且不要让显著改善( 增加成功率15%相比,训练第一天)在电机性能与持续的培训。他们的学习曲线保持平稳,甚至可能与持续的培训减少。

运动记忆:

我们以前的数据表明,一旦电动机熟练运动通过重复实践掌握的,它可以被存储为马达存储器,并进一步PRACTI的一种形式不需要为它的维修19 CES。这种电机的内存可以通过停止训练老鼠已经达到了成功率的高原水平后,和一个扩展的休息时间( 几个月)后重新测试它们的性能进行测量。再培训的鼠标通常开始于早期的训练结束已经观察到类似的成功率,并在随后的日子里保持较高的成功率。相比之下,年龄匹配的天真的小鼠通常开始显著成功率较低,并逐步改善与实践19( 图2F)的性能。而再培训开始前,食物匮乏(2天)是必需的,重塑以前训练老鼠是没有必要的。

图1
鼠标培训的图1。设计室。 A.一个照片的训练室,用表示的尺寸。B.成型种子盘,从3幻灯片粘在一起并放置在成形室的前面制成的照片。一堆小米种子被放置在种子托盘。C.培训,安置在培训室之前的食品托盘的照片的低谷。一小米种子被放置在对应于右前肢训练草皮层(指向的箭头)。尺寸和草皮的位置都显示在照片。D.整形室的卡通画。训练室的单缝边放置朝下。种子被放置在中间的缝隙和小鼠的面前可以同时使用两个爪子犁种子的培训室。E.一个卡通画。训练室的双缝边放置朝下。一个种子被放置在中室S的前端食物托盘点亮对应于优选的肢体(在这种情况下,右前肢)。 (DE,等人 19修改)。 点击这里查看大图。

图2
图2。实验设计的鼠标单颗粒的代表性结果达成任务。答:一般的时间表。B.在食物匮乏(F)的体重损失为一个单一的鼠标,整形(S)和培训(T) 的C例子在训练期间平均成功率提高了时间(n = 39)。从同一组小鼠用C介绍成功的D.平均速度。E.成功率在一个多形鼠标培训和鼠标非学习pretrained(N = 14)和天真(N = 10)的成年小鼠的第4天的培训(徐等人 19修改)。F.电机性能。所有数据以均数±标准差,*** P <0.001。 点击这里查看大图。

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Discussion

重要的塑造阶段:

因为从一个未知的环境是增加焦虑,它通常是困难的小鼠在新环境中21,22的培训。因此,整形的目的是熟悉小鼠的培训室,培训师( 降低他们的焦虑程度),任务要求( 识别种子作为食物源)。成形的另一个目标是确定为未来训练个体小鼠的优选的肢体。塑造过程中,至关重要的是,小鼠未过形,因为它可以提供多余的“深远的练习”,这将虚假夸大的成功率在最初的学习阶段,导致成功率在没有或很少后续改进以后的训练( 图2E)。在这些情况下,而不是简单地翻地种入笼,然后拿起它吃,过形老鼠已经开始在成型阶段发展深远的技能。限制过度整形的唯一方法是在成型阶段敏锐的观察力。多形小鼠应被排除在数据分析。另一方面,同样重要的是,小鼠没有受到形。如果鼠标不承认小米种子为食物来源,如果鼠标不熟悉的任务要求,和/或鼠标是否太着急了,它会在训练中遇到困难,并可能会最终成为一个nonlearner ( 图2E,也看到“nonlearners”下面)。

实施适当的控制:

要确定相关的变化是否是由于达到特定的运动学习,实行各种形式的控制是非常重要的。几个控件可用于:1)一般对照组:该组中,小鼠不会遇到培训或整形,但食物的限制,食物奖励(种子),和处理。 2)整形对照组:小鼠在本组的经验,上述成型周期(见协议),但他们没有随后的训练。相反,它们被放置在20分钟的训练笼,并设置有大约20种子/小鼠。成形对照组是用于确定是否在成形期间的经历引起任何塑性的感兴趣脑区是有用的。 3)活动对照组:本组小鼠体验一致,除了在训练期间相同的条件受过训练的老鼠,种子始终是摆在到达范围之外,或由教练举行。因此,前肢肌肉的活动是类似于训练小鼠,但小鼠中的活性对照组,不同的是训练小鼠,不获取到达技能。推动持续深远的尝试,种子定期从狭缝到达下降了培训室,和老鼠便拿起标电火工品食用。大多数的活动控件放弃后6-8天的培训深远。

Nonlearners:

这是不确定为什么有些小鼠学习,而有的则没有。从我们的经验猜测,一些nonlearners可能会导致从爪子偏好的错误判断,从而获取熟练的运动是通过培训非支配肢体的阻碍。它也有可能是下成形负责这些nonlearners,这些小鼠是不明确的任务要求,和/或尚未舒服的测试环境。其他可能的原因包括减肥过快和/或体重下降过多,而其他人可能已经失去了重量不够,在这种两种情况下会导致减少饥饿水平,阻碍了动力,达到为食物,从而使学习过程困难。不管原因如何,这些nonlearners不掌握,也不掌握了深远的技能,并且可以是汤治疗d由于附加型对照组,补充了各种类型的上述控制。

电路电机学习和记忆:

许多脑区域已被确定是参与运动学习。除了 ​​初级运动皮层6,7,19,23,许多其他脑区,如黑质和腹侧被盖区16,24,25纹状体和海马26已经提出在单一的种子也发挥着重要作用这里伸手任务介绍。因此,单一的种子到达任务可能是研究与电机学相关的啮齿动物大脑的许多歧视性的区域非常有用。此外,还有多种其它运动任务,每个电机执行其自身的时空图案,以及所涉及的脑宏/微结构。例如,在加速旋转杆已被用来研究长期记忆马达在两个纹状体和海马脓27,延迟眼睛一眨不眨调理从事响应程序隐运动学习这主要是由小脑28,29介导的,而正在运行的轮任务依赖背侧纹状体30的正常运作上。即使对于马达任务诱导突触重组在皮层( 卡佩利尼处理任务和单丸到达任务),不同组的突触可能涉及不同的任务19。这些数据表明,每个电机的任务可能具有它自己特定的神经编码,招募不同脑区,神经元群体和突触集。正确的实验应该被用来研究不同的大脑结构和电机电路。

总之,我们已经介绍了如何在小鼠进行单颗粒达到任务的详细协议。这种可靠和有效的协议将是未来的研究人员谁是兴趣研究双向有用辉化工,结构,生理和遗传变化与动作的学习和记忆形成相关的鼠脑的许多歧视性的区域。

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Disclosures

作者宣称没有利益冲突。

Acknowledgments

这项工作是由精神卫生研究所授予(1R01MH094449-01A1)以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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