可逆冷却诱导 Deactivations 对行走猫的障碍记忆的皮层贡献研究

摘要

复杂的运动在自然主义的环境需要仔细的肢体协调涉及顶叶皮层的区域。下面的协议描述了可逆冷却诱导失活的使用, 以证明顶骨面积5的作用, 在记忆制导避障的步行猫。

摘要

在复杂的、自然主义的地形上, 关于环境障碍的感官信息可以用来快速调整运动动作以躲避。例如, 在猫, 关于一个即将到来的障碍的视觉信息可以调节步避。运动适应也可以发生独立的视觉, 因为突然的触觉输入到腿部由一个预期的障碍可以修改的步的所有四条腿, 以避免。这种复杂的运动协调涉及上结构, 如顶叶皮质。该协议描述了使用可逆的, 冷却诱导的皮层失活, 以评估顶叶皮层贡献的记忆引导障碍运动在猫。小的冷却回路, 被称为 cryoloops, 是特殊的形状, 以关闭分散的兴趣区域, 以评估其贡献的公开行为。这种方法已被用来阐明的作用, 5 在记忆引导的障碍, 避免在猫的顶叶区。

引言

在自然的、不平坦的地形上, 关于障碍物的感官信息可以通过视觉或触觉获得, 可以迅速地改变运动以躲避。步进运动的细致协调涉及多个皮层区域^1,2。例如, 电机皮层^3,4和顶叶皮层^5,6,7在复杂的运动任务中被牵连, 如避障。在足动物中, 避免障碍所需的阶跃调制必须伸展至前腿和后腿。如果向前运动被延迟在前腿和 hindleg 障碍间隙之间 (可能出现作为动物踏入小心地通过一个复杂, 自然主义的环境跟踪猎物), 关于在记忆中维护的障碍的信息被用来指导一旦走了, hindleg 就会越过障碍物。

实验技术旨在解除离散皮层区域可以用来研究皮层贡献的记忆引导障碍运动。冷却诱发的皮质失活提供了一种可逆的, 可靠的, 可重现的方法来评估皮质对显性行为的贡献⁸。Cryoloops 由不锈钢管制成, 是特定于皮层的兴趣, 确保高度选择性和离散的基因座的失活。一旦植入, 冷冻甲醇泵通过管腔的 cryoloop 冷却的皮层区域直接下方的循环到 < 20 ° c。在这个临界温度下, 突触的传递在大脑皮层的区域被抑制。这种钝化可以通过停止甲醇的流动来逆转。该方法已用于研究皮层对感官处理和行为的贡献^{9,10,11,12,13},^14,15,16,17, 以及跳眼移动的马达控制¹⁸和内存引导障碍运动¹⁹。

该协议的目的是使用可逆冷却诱导 deactivations 评估的参与, 顶叶皮层区的运动协调在猫。特别地, 记忆引导障碍运动被检查与或没有活跃顶叶皮层。这些方法已经被用来成功地证明了顶骨面积5在记忆制导避障中的作用, 在行走 cat¹⁹。

研究方案

所有的程序都是按照国家研究委员会的《动物保护和使用实验指南》 (第八版; 2011) 和加拿大动物保护委员会关于试验动物的护理和使用指南 (1993) 进行的, 并由西安大略大学动物学委员会动物保育委员会批准。

下面的过程可以应用于实验研究皮层贡献的运动控制在步行猫。

1. 仪器

1. 构造用于评估障碍物记忆的仪器。
   注: 该仪器由2.43 米长, 29 厘米宽的走道包围, 18 厘米高清晰丙烯酸墙 (图 1)。一个狭窄的插槽沿设备的一半, 允许25.8 厘米宽 x 3 毫米厚的障碍, 以提高或从人行道上使用杠杆安装在行走表面。
2. 为了确保动物的注意力保持在进食上, 避免用手抬高或降低障碍物。相反, 障碍可以提高或降低使用实验者的腿移动的杠杆下的走道, 使实验者继续喂养的动物。
3. 适当地维护杠杆系统, 以确保障碍可以提高或降低无声。
4. 使用一个小的高架平台 (23 厘米长的 x 23 厘米宽 x 16 厘米高), 在软食物放置, 以指导动物的运动。
5. 记录所有使用以太网摄像头 (54 帧/秒) 安装在三脚架1.85 米远离走道中线的试验。

2. 培训程序

注意: 为了获得成功的数据, 在行为测试之前的训练期间, 确保每只动物都能适当地适应测试室和仪器。反复接触到一个新的环境将有助于减少令人吃惊或其他压力的行为。 驯化可能因动物而异, 可能需要1-2 月的训练。根据动物进食的重点和动机, 最初的驯化疗程可达5分钟。随后的会议应旨在增加动物的工作时间 (通常约20-25 分钟)。

1. 获得成熟 (> 6 月的年龄) 国内短毛猫从任何重量或性别的商业实验室饲养员。
   注意: 在考虑哪些动物应该包括在研究中时, 食物的工作动机和合作性的性格构成了选择标准。
2. 使每只动物都能佩戴1米长的皮带。将皮带拴在走道中点上方的架子上。
   注意: 这使得动物可以沿着器械的中心部分不带任何张力, 从而鼓励动物留在仪器的这一部分。建立这样的边界有助于使用移动测试对象。
3. 把动物放在人行道上, 让它从平台上吃软食物。
   注意: 这项初步训练的目的之一是确保动物在向前移动时很容易跟随食物平台, 并能舒适地与安全带和皮带行走。使用软性食物作为积极的强化, 鼓励动物在每次训练或测试期间保持专注, 并促进舒适的工作环境。
4. 确保动物对搬运感到舒适, 包括必须将动物移到人行道起始区域的情况。

3. 行为训练和测试协议

注意: 障碍记忆被评估在两个范例: 一个视觉依赖障碍记忆任务, 和一个触觉相关的障碍记忆任务。这两种范式都应在最初的培训和随后的测试中使用。

1. 视觉障碍记忆
   1. 要评估视觉障碍存储器, 请将障碍物提升到人行道上 (图 2A)。将平台放置在障碍物的远处。将动物放在人行道的开始区域。
   2. 允许动物接近食物, 只用前腿踩在障碍物上, 以便从站台上进食。
   3. 当动物继续进食时, 降低障碍物, 使其变得与人行道齐平, 以防止任何进一步的视觉或触觉输入。
   4. 在一个可变的延迟期间, 移动食物批转再鼓励动物恢复步行;这种延迟可以小于 1 s 到2分钟以上。
   5. 重要的是, 在没有障碍的情况下进行试验, 以防止习惯性的障碍和学习回避反应的发展。在这种视觉障碍缺席试验中, 在将动物放在人行道的起始区之前, 确保障碍物不会被抬到人行道上。
   6. 观察 hindleg 步在障碍目前和障碍缺席试验, 以验证典型的运动行为和完整的视觉障碍记忆前冷却。确保动物能在无接触的情况下清除障碍, 而在障碍性试验中, 四条腿的跨步明显升高。
      注意: 观看训练试验的视频可能有助于验证。
2. 触觉障碍记忆
   1. 要评估触觉障碍记忆, 确保在将动物放在人行道的起始区域之前, 不会将障碍物抬到人行道上 (图 2B)。
   2. 允许动物走向位于障碍物的远侧的食物平台。
   3. 当动物进食时, 将障碍物抬高到食物盘下的人行道上, 防止障碍物的任何视觉输入。
   4. 当食物被向前移动时, 请注意, 动物在踏过前应先用前腿接触障碍物。
   5. 允许动物继续进食, 同时跨越他们的前后腿的障碍。在此期间, 降低障碍, 使其成为冲洗与人行道, 以防止任何进一步的视觉或触觉输入。
   6. 在一个可变的延迟期间, 移动食物再次批转鼓励动物恢复步行。
   7. 重要的是, 在不存在障碍的情况下进行试验, 避免前腿接触, 防止习惯性障碍和学习回避反应的发展。
      1. 在这些触觉障碍缺席试验, 有动物的方法和吃的食物平台, 如步骤3.2.1 所述。然而, 在把食物向前推进的步骤3.2.3 前, 提高和降低障碍 (步骤 3.2.2)。确保允许动物继续进食的类似的延迟期 (步骤 3.2.4) 在运动的最后的继续之前 (步 3.2.5)。
   8. 观察 hindleg 步在障碍目前和障碍缺席试验, 以验证正常的运动行为和完整的视觉障碍记忆前冷却。

4. 视频分析

注: 为了评估障碍记忆, 在初始训练期间进行的分析和随后的测试后, 冷却环植入涉及量化的峰值步高度, 步隙, 以及脚趾和障碍物之间的水平距离在每个步骤的高峰期视觉和触觉范例 (图 2C)。

1. 使用自定义手写脚本分析视频。
2. 每一次试验, 每步通过标记脚趾最靠近相机的位置来跟踪每个脚印。
3. 在每个步进轨迹的最高点 (图 2C) 中, 测量峰值台阶高度作为脚趾和人行道表面之间的垂直距离。
4. 在障碍物的试验中, 将台阶间隙测量为在障碍物的高度上减去的台阶高度。
5. 此外, 测量障碍-目前试验中每一步的峰值处的脚趾与障碍物之间的水平距离。
6. 确认在冷却回路植入之前, 障碍记忆能力是完整的, 通过验证在障碍试验中的峰值台阶高度是否提升, 与在无障碍试验中的步进相比。

5. 冷却回路 (Cryoloop) 植入

1. 根据先前报告的外科手术程序⁸ (图 3), 在5和7区域 cryoloops 种植体。
2. 简而言之, 对于每个半球, 执行一个开颅和 durotomy 从斯科特·霍斯利-克拉克坐标²⁰ A15 到 A25, 以揭露 ansate 和侧面沟的接合点。
3. 从23口径不锈钢皮下注射导管中定位单个冷却回路, 与顶叶区5或7的皮质表面直接接触。
4. 安全的基础, 每个 cryoloop 的头骨与牙科丙烯酸锚定不锈钢螺丝。
5. 关闭开颅与额外的牙科丙烯酸;绘制到丙烯酸边缘的皮肤边缘和缝合在一起。

6. 皮质冷却协议

1. 实验设置
   注意: 在将动物带入测试室之前, 要准备并测试冷却回路。该冷却电路由一甲醇储气罐 (3.2 毫米外径, 1.6 毫米身份证), 往复式活塞泵, 和干冰浴连接通过聚四氟乙烯管 (1.6 毫米外径, 0.5 毫米身份证;图 4)。此外, 还需要一个数字温度计。
   1. 在冰浴中加入500毫升干冰至 200 mL 甲醇。配合油管两端紧贴在入口和出口的一个虚拟 cryoloop, 以完成冷却电路。
   2. 将热电偶插头连接到数字温度计上, 使用由两个热电偶连接器和热电偶线组成的电缆进行连续温度监测。当一端插入温度计时, 确保此电缆的长度足以到达动物的头部。
   3. 使用开关打开活塞泵。
      注: 甲醇应从油层中抽出, 通过泵到干冰浴, 在那里流动的甲醇在油管中将冷却到-75 ° c。冷却后的甲醇将退出冰浴, 并通过附着的 cryoloop, 然后返回甲醇库。
   4. 确保泵的设置, 在冰浴内的油管长度, 和从冰浴到假循环的油管长度是最佳的, 使假 cryoloop 温度可以达到一个稳定的状态在-5.0 ° c 左右。
      注: 此初始设置期间所达到的温度通常足以达到3.0 ±1.0 ° c 时的测试温度, 而同一系统用于冷却植入的 cryoloop。通过调整泵的转速、增加在冰浴中浸没的油管长度和/或最小化从冰浴到 cryoloop 的油管长度, 可以解决实现足够冷却的困难。
   5. 如有必要, 通过管端管接头和法兰端部的管子端部用翻边工具来延长油管的一端。使用连接器以类似的法兰端连接所需长度的油管。
   6. 验证所有连接是否舒适, 并且不存在泄漏。一旦满意的初始设置, 开关泵关闭, 并删除假 cryoloop;这个电路现在已经为一个试验动物准备好了。
2. 行为测试
   1. 将动物放在测试仪器上。滑动线束在头上, 并确保表带舒服周围的动物。系上皮带
   2. 卸下植入的 cryoloop 的保护盖, 露出入口和出口管。适合油管两端紧贴在 cryoloop 的入口和出口管。将热电偶插头连接到数字温度计。
   3. 开始测试阶段与视觉 (步骤 3.1) 或触觉 (步骤 3.2) 障碍记忆试验。跟随对所有四类型的另外的试验 (视觉障碍-当前, 视觉障碍-缺席, 触觉障碍-存在, 触觉障碍-缺席) 以一个随机的方式。
      注: 一个典型的测试环节由一个 "温暖" 的试验块组成, 在没有冷却的情况下观察记忆引导的避障以建立基线测量。
   4. 打开活塞泵, 等待 cryoloop 达到3.0 ±1.0 ° c (1-2 分钟) 的温度。然后, 运行一个 ' 凉爽 ' 的试验块后, 活塞泵已接通。在这段试验中, 如果需要, 评估冷却区的贡献, 以记忆为导向。确保 cryoloop 的温度保持在3.0 ±1.0 ° c 整块。
      注: 所有四种试验类型应在整个区块中随机穿插。
   5. 在活塞泵关闭后, 运行最后的 "复" 测试块, cryoloop 已恢复到原来的温度。
      注意: 在此块中重新建立基线步进行为。同样, 所有四种试验类型都应在整个区块中随机穿插。
3. 清理
   1. 当行为测试结束时, 从入口和出口管中取出油管。注意剩余的甲醇可能从油管末端滴下, 可能会刺激动物。
   2. 确保更换防护帽。在把动物送回蚁群之前, 去掉皮带和安全带。修剪油管两端 (3-4 毫米) 使用油管切割器, 以防止在下一个测试日漏连接。

7. 验证冷却范围

1. 在行为测试结束时, 请确认使用先前报告的技术⁸, 将停用的范围限制在每个 cryoloop 下方的皮层区域。
   注: 这可以通过跃层映射¹²或与热成像相机^13、14、19进行验证。

结果

该协议已成功地用于检查顶叶皮层贡献的障碍记忆在步行猫¹⁹。在这项研究中, cryoloops 在5和7在三成人 (> 6 月龄) 雌性猫 (图 5A) 上被植入了双侧壁区。在没有冷却 (温暖、控制条件) 的情况下, 或者当5或7区被双边钝化时, 在触觉障碍记忆模式中对动物进行了评估。

该研究的结果表明, 当5区...

讨论

所描述的范例采用冷却诱导的离散皮层区 deactivations 的 cryoloop, 以研究记忆制导障碍的运动在猫。视觉和触觉障碍记忆范例是相当简单的动物执行, 因为他们利用自然主义的运动行为, 发生在最小的努力, 当一个动物的动机是跟随一个移动的食物来源。因此, 大部分的培训阶段是专门适应动物的测试室和冷却设备。大多数动物都需要反复接触, 佩戴安全带, 并通过皮带拴住, 然后才能舒适地和自然地在...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Camera	IDS Imaging Development Systems GmbH	Model: UI-5240CP-C-HQ
Intake tubing	Restek	25306	Unflanged end is submerged in the methanol reservoir while the flanged end is connected to the pump
Pump	Fluid Metering, Inc.	Model: QG 150
Nalgene Dewar vacuum flask	Sigma-Aldrich	F9401
Teflon tubing	Ezkem	A051754
Microprobe thermometer	Physitemp	Model: BAT-12
Flanged tube end fittings	Valco Instruments Co. Inc.	CF-1BK	Assorted colours available for colour coding. Packages include the same number of washers as fittings
Washers	Valco Instruments Co. Inc.	CF-W1	Extra washers
Flanging kit	Pro Liquid GmbH	201553
Tubing connector	Restek	25323
Tubing cutter	Restek	25069
Male thermocouple connector	Omega	SMPW-T-M	Used to make cable connection to thermometer
Thermocouple wire	Omega	PP-T-24S	Used to make cable connection to thermometer
MATLAB	MathWorks	n/a