该协议描述了用于 go/no-go 嗅觉行为实验的嗅觉计的构建。提供了分步说明和图像,以确保成功构建嗅觉计。还包括用于对过程中遇到的问题进行故障诊断的信息。
使用嗅觉计研究啮齿动物在嗅觉任务期间的行为和大脑活动对于理解大脑回路至关重要。这些复杂的设备使研究人员能够精确控制和传递气味刺激,从而能够研究啮齿动物复杂的嗅觉过程。尽管市售嗅觉计很方便,但当出现技术问题时,它们会带来挑战,通常需要昂贵的帮助,并可能扰乱研究时间表。本文详细介绍了专为小鼠嗅觉行为实验设计的定制嗅觉计的构造,提供了完整的部件列表和分步说明。嗅觉计通过 MATLAB 进行控制,为研究人员提供了一个用户友好的界面。重要的是,开源代码允许用户修改和适应系统,定制行为任务以满足特定的实验需求。构建定制的嗅觉计使用户能够独立执行定制实验设计和故障排除,从而节省时间和资源。这种方法不仅提高了研究灵活性,还促进了对设备功能的更深入理解,最终导致对啮齿动物进行更强大和可靠的嗅觉研究。
嗅觉决策背后的复杂机制为了解大脑感觉处理系统的非凡复杂性提供了引人入胜的见解 1,2,3。在小鼠的嗅球内,大量的嗅觉感觉神经元聚集在大约 2,200 个肾小球上,每个肾小球都由表达相同嗅觉受体的神经元支配4。值得注意的是,即使是单一的合成气味剂也可以刺激小鼠大约 1,100 个嗅觉受体中的很大一部分 5,6。然而,挑战不仅限于最初的气味检测。受嗅探的节奏行为的影响,气味到达的时间动态进一步丰富了感官景观,为大脑增加了需要破译的信息层次。再加上自然刺激的复杂性,例如含有数百种气味的同种尿液,嗅觉系统面临着解开错综复杂的肾小球激活模式以区分各种气味的艰巨任务 7,8。
为了应对这一挑战,大脑协调多个区域的神经活动,包括梨状皮层、外侧内嗅皮层、海马体、嗅结节、前额叶皮层,甚至小脑 9,10,11,12,13,14。在这些回路中,梨状皮层中的锥体细胞整合和调节二尖瓣细胞传递的信息,而其他大脑区域在塑造嗅觉感知方面发挥着独特的作用 15,16,17。此外,大脑对嗅觉刺激的处理受到环境因素的动态影响,强调了嗅觉决策过程的适应性和复杂性。
本文介绍了自定义嗅觉计的构造,该嗅觉计能够对自由移动的小鼠进行计算机控制评估,以执行通过/不通过任务。在这个联想学习任务中,缺水的老鼠通过舔位于除臭剂输送鼻锥内的输水嘴来启动试验。两种气味剂中的一种在动物开始试验后 1-1.5 秒内给药。如果气味剂是奖励 (S+) 气味剂,则如果鼠标在四个 0.5 秒的时间窗口(一次命中)中至少舔舐一次,则鼠标将获得水奖励。否则,鼠标不会获得奖励 (Miss)。如果动物收到未奖励的气味剂 (S-),则不会提供奖励,如果鼠标在四个时间窗口(误报、FA)中的每一个时间窗口(误报、FA)中舔舐,则会在下一次试验开始之前施加时间延迟。如果动物未能在其中一个时间窗口内舔舐,则试验计为正确排斥 (CR),并且不应用时间延迟。正确性能的百分比计算为鼠标在 20 个试验时段内获得 Hit 或 CR 的试验百分比:
正确百分比 = 100 ((命中 + CR) / 20)
有两个关键问题是确保旨在评估 go/no-go 嗅觉行为的嗅觉计正常运行。首先,嗅觉计必须实时监测鼠标的反应,以相应地提供气味和水的奖励。这种嗅觉计是通过测量水龙卷和腔室地板之间的电阻或通过感应电容18 来监测舔舐来实现的。然后,MATLAB 程序使用此信息来决定加臭剂的输送和水的奖励。第二个问题是需要可靠、可重复的加臭剂输送。这种嗅觉计是通过驱动阀门实现的,该阀门将气味剂饱和的空气与载体空气平衡,然后将其输送到鼻锥。空气通过矿物油稀释的加臭剂溶液鼓泡,使其与加臭剂平衡。气味剂的浓度是用光离子化检测器测量的,可以根据蒸气压和活性系数计算,遵循 Williams 和 Dewan18,19 描述的程序。
所有实验均根据科罗拉多大学安舒茨医学校区机构动物护理和使用委员会批准的方案进行。本研究中使用的动物是雄性 CaMKIIα WT 小鼠,在四极管植入时两个月大。材料表中提供了本研究中使用的试剂和设备的详细信息。
1. 单刀单掷 (SPST) 瞬时按钮的电路板和焊接
2. 电源
3. 舔传感器板
4. 空气和水的供应
5. 将嗅觉计连接到计算机并安装软件
6. 动物实验
按照此处描述的协议,可以设置嗅觉计来测试小鼠区分气味的通过/不通过行为。 图 6A 显示了小鼠在训练 go/no-go 任务的第一天的行为,使用乙酸乙酯作为 S+ 气味剂,使用乙酸乙酯和乙酸丙酯的组合作为 S-。正确百分比计算为鼠标获得命中或正确拒绝的试验百分比。最初,鼠标的正确率为 50%,因为它对两种气味剂都有反应。然而,经过几次试验,它学会了只舔 S+,停止了舔 S-。 图 6B 显示了向前通过/不通过任务最后一天的正确百分比,其中动物达到熟练度,表现为 80% 或更高。此时,加臭剂被反转 (REV),乙酸乙酯作为 S- 加臭剂,乙酸乙酯和乙酸丙酯的组合作为 S+。 图 6C 显示了 go/no-go 任务第一天的正确百分比,其中鼠标的性能下降到 10%。 F 显示鼠标在反转最后一天的性能,它再次达到熟练度。
图 1: 嗅觉计的白板正面和接线。 (A) 嗅觉计的尺寸为 22 英寸宽 x 16 英寸高 x 8.5 英寸深,显示时不含接线或接口/舔板,从机械车间交付。气味阀、温度计、水和最终阀、水注射器、气味瓶架、气味阀架和鼠标室都预先钻孔。(B) 嗅觉计准备好了将 SSR48-RACK 安装在左后侧所需的 8 个螺栓。(C) 安装了 SSR48-RACK 的嗅觉计,包括连接的继电器。(D) 添加到嗅觉计的螺丝端子条块,指定部分用于 12 V、5 V 和接地。(E) 控制黑匣子,带有用于 SPST 瞬时按钮开关的钻孔,用胶带标记每个按钮。(F) SPST 瞬时按钮开关,焊接有两根颜色编码的热缩管电线,以保护暴露区域。(G) 安装在控制黑盒上的 SPST 瞬时按钮开关,并用随附的六角螺母固定。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 2:气味阀和示意图。 (A) 气味阀牢固地安装在插槽中并用螺钉固定。(B) SSR48-RACK 和螺钉端子排块的气味阀接线示意图。(C) 控制黑匣子、电源、SSR48-RACK 和螺丝端子排块的接线图。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 3:带电源的水和最终阀门设置。 (A) 将水和最终阀添加到嗅觉计的指定槽中,并用螺钉固定。(B) 连接到嗅觉计电源的电源线。(C) SSR48-RACK 的电源线。(D) 舔传感器和连接的组件,包括电阻器、电线、LED 和运算放大器。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 4:带有流量计和管道的供气系统。 (A) 用螺钉连接到机架上的流量计。(B) 水族泵连接到管道上,用 T 形接头连接。(C) 一个碳过滤器,输出端连接有管道,连接到各个稳压器。(D) 来自连接到流量计输入的调节器的管道。(E) 连接到流量计输出的管路。(F) 从歧管到最终阀输入的管道。(G) 管道连接到嗅觉计气味端口的最终阀。(H) 5 mL 注射器,装满水,管路连接到 18 G 针头。(I) 连接到水阀输入端的管道。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 5:最终水阀连接和系统概述。 (A) 从水阀输出到嗅觉计中 lixit 的管道。(B) 使用母对母电缆将嗅觉计连接到 DIO96H/50。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 6:鼠标的 go/no go 任务中的行为性能示例。 显示每个疗程的正确反应百分比: (A) 前向调节的第一天(S+:1% 乙酸异戊酯,S-:矿物油)。(B) 正向调节的最后一天。(C) 逆转后第一天(S+:矿物油,S-:1% 乙酸异戊酯)。(D) 反向调节的最后一天。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 7:乙酸异戊酯在气味端口中的浓度时间过程。 使用光电离装置 (PID) 在气味端口中测量 10% 乙酸异戊酯(在矿物油中稀释)的浓度。垂直线表示气味传递的开始和结束。 请单击此处查看此图的较大版本。
可以在文献中找到构建专为气味关联任务而设计的嗅觉计的综合分步指南。研究人员在设备的组装和作过程中可能会遇到各种挑战,但幸运的是,有既定的故障排除方法可以解决这些问题。一旦正确构建和校准,嗅觉计将成为科学家进行嗅觉相关实验的宝贵工具,能够精确控制和传递气味刺激。
关键步骤
下载的 MATLAB 版本应该是 2015 版,因为编写的代码与此版本兼容,使用任何其他版本都可能导致问题。验证在 instacall 中是否选择了正确的板子很重要。mcc.dill 的安装可以通过在以 MATLAB 管理员身份登录时执行 daqregister('mcc') 来完成。
故障 排除
在每个训练周开始时,运行校准软件 (InstaCal) 以确保 PC 和嗅觉计正确接口。打开此程序,单击 板 ,然后单击 Digital Calibration。需要检查气流速率。背景气流应为 2 L/min,流向气味平衡瓶的流量应为 50 mL/min。定期检查嗅觉计输出端的气流速率非常重要。
在放置鼠标之前,重要的是要确保测试以下参数:(1) 气味阀:按下黑匣子上的按钮时,应点击气味阀。空气管应起泡进入矿物油中,管中不得有矿物油。(2) 气味管路:如果气味不产生气泡,则管道可能在阀门附近通常卡住的地方被堵塞。可能需要更换管道。(3) 最终阀和水阀:最终阀应正确打开,并检查管道是否正常工作。对于水阀,应清除任何阻塞水流的空气,让水流入 lixit。(4) 气流:流量计需要经过校准并放置适当。(5) 继电器灯:确保继电器上的“灯”在实验过程中正确激活。(6) 水奖励接力:当分配水奖励时,水上方的接力在分配奖励时应闪烁。(7) 气味和水奖励继电器:当气味与水奖励配对时,相应阀号上方的红色继电器在奖励期间应闪烁红色。
局限性
go/no-go 任务测试鼠标测试 2 种气味的能力。为了运行该任务,必须通过多个会话来运行动物。这不是用于测试气味辨别的高通量技术。嗅觉计旨在测试嗅觉刺激。它不是一个多感官测试设备。但是,可以进行修改以测试其他传感输入。
本文介绍了一种液体稀释嗅觉计,其中空气以 50 mL/min 的速率通过矿物油稀释的加臭剂,与 2 L/min 的背景气流进行预平衡。对于这种加臭剂输送设计,载体气流中气味稀释的动力学决定了背景气流中气味浓度增加的速度。如图 7 所示,虽然浓度在 200 ms 内增加到最终浓度的一半,但浓度变化的速率会减慢到半秒以上。虽然这种配置不会在气味浓度中产生平方阶跃变化,但它已成功用于研究气味鉴别和检测21。如果实验方案需要气味浓度的阶跃变化,则应将加臭剂输送的设计修改为三个连续的 2 L/min 背景气流通道,其中加臭剂连续输送到两个背景气流通道的背景气流中。第三个输送通道将输送与矿物油平衡的空气。在这种情况下,将使用分流阀将两种加臭剂中的一种或无异味的空气分流到加臭端口。这将导致气味端口的加臭剂浓度逐步增加(之前也报道了19,22)。无论如何,使用光离子化检测器记录气味浓度变化的时间过程是关键。
此处描述的嗅觉计专为小鼠行为实验而设计,但这种设计过去曾用于大鼠。主要区别在于有必要增加腔室的大小以用于大鼠23 的研究。最后,该嗅觉计评估单只老鼠的嗅觉行为。已描述一种高通量自动嗅觉计可测试多只小鼠24。
意义
该协议描述了一种定制的嗅觉计,与其他可用方法相比,它降低了成本。
未来的应用
嗅觉计专为小鼠设计,需要修改才能用于其他动物,例如大鼠。还可以集成其他功能,例如多电极记录系统(例如,多电极记录板)、Arduino Uno 板或摄像头。
作者没有什么可披露的,也没有相互竞争的经济利益。
这项研究得到了 NIH 赠款 K01 NS127850-01、R25 NS080685、R01 NS081248 和 DC000566 的资助。我们要感谢 Restrepo 和 Ramirez-Gordillo 实验室的所有成员的支持。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2 1/8’’ modular ic breadboard socket | found on: amazon.com | ASIN : B004MCSOQY | Powers the lights and lick censor |
500 piece assorted carbon film resistors 1/4 watt | Found on amazon.com Brand:bojack | Resisters will go on the BreadBoard socket | |
50k-ohm linear taper potentiometer | Brand:TWTADE Found on: Amazon.com | Allows to the components of the olfactometer Power supply: Ac 220v-6A Shift diameter: 6mm/0.2” Shaft length: 15mm/0.59” mounting thread. Knob size 15/17mm/0.6 x 0.67”(d*H) the adjustment of power | |
5mm red LED | Found on: Amazon.com Brand:EDGELEC | Pre-wired with built in Resistor; 5mm round top bulb and wired LED's-Easy Connection with 3-6V DC Drive it, 7.9 inch long wires. Wattage: 1 Watts | |
6 position dual row brrier strip | Found on: Digikey.com | Base Product Number 1546306 | Used for power and ground depending on how it is connected Voltage rating:300v Current rating (amps):20A Wire gauge:12-22 AWG |
96 high current 50 pin connector female to female | Found on: Amazon.com Brand: IIVVERR | Part Number:f5c953ee65a980d | Weight: 109G Pitch:2.54mm Total size: 50x6.4cm/2x2.5 inch |
Aquarium pump -AAPA7.8L 125 GPH, 2 OUTLETS 3W | Found on:Amazon.com Brand: Hydrofarm store | This will connect to the double open end cold water housing and will be used to power the air on the machine | |
Barbed Tee connector polyethylene 1/4” | Found on: Uplastic.com | Item number:62200 | Connects different air hoses to each other |
Barbed Tee connector polyethylene 3/16” | Found on: Uplastic.com | Item number:62063 | Connects different air hoses to each other |
BD general use precision glide hypodermic needle 18 G ½ | Found on: Medneedles.com | Item number: BD 305195 | Used for the water system |
Black box/manual control box | Brand:Otdorpatio Found on: Amazon | n/a | Used as the control box Dimensions: 3.94x2.68x1.97 |
Cable, pc power supply internal connections 10ft | Found on: Amazon.com | Connects to the power supply 40 watts | |
Cflex tubing, white ¼” id x 3/8” OD | Found on:uplastic.com | Item number:54033 | Tubing used in the air system |
custom-made white base board with holes to fasten the racks for odor valves, flow meters, SSR48 board | The Machine Shop of the Neurotechnology Center in the CU Anschutz Medical Campus | ||
Diverter valve—miniature inert liquid valve, 3 way | Found on:Radwell.com | Part number:003-0258-900 | 1/8th BARB 24VDC UP TO 1500 SCCM 4.2W |
Double open end cold water housing with blue sump | Found on:GRAINGER.COM BrandPENTAIR/PENTEK | Compatible Mfr. Model Number150295; 150578; 151117; 151118; 151120; 155003; 244043; 244686; 244687 | |
Fisherbrand glass EPA vials | Found on: fishersci.com | Catalog no. 02-912-379 | Used for odors |
Fitting reducer 1/4” x 1/8” | Found on: uplastic.com | Item number: 64370 | Adapter used in the air system hoses. |
Hard Tubing, intramedic polyethylene, 0.045 (ID) 1 x 100 | |||
High infrared LED | Found on amazon.com Brand: gikfun | Memory clock speed 1mhz | |
Ic opamp gp 4 circuit 14dip | Found on: Amazon.com Brand:BOJACK | Operating Voltage 50 Volts Maximum Voltage 50 Volts | |
Jumper wire kit | Found on: Amazon.com Brand:Elegoo | Item Dimensions LxWxH: 0.04 x 8.27 x 0.04 inches | |
Mini spst momentary switch | Brand:Radioshack Found on: Amazon.com | B000TLWZM6 | Used for the odor valves Operating volage: 250V Current rating:1 Amps |
Multimeter | Found on Amazon.com Brand:AstroAl | Accurately measures AC/DC Current, AC/DC Voltage, Capacitance, Frequency, Duty Cycle, Resistance, Diode, Continuity and Temperature | |
Needle nose | Found on:amazon.com Brand:WorkPro | Will be used to bend wires | |
Odor valves | Found on:Radwell.com | SKU: 192833415 Part number:225T031 | Pumps odors from odor vials. 30 PSIG 12 VDC |
Phototransistor | Found on: Amazon.com Brand:HILETGO | Voltage: 1.3-1.5V Receive Range: (NM) 400-1000 Head Size: 5mm x 5mm / 0.2" x 0.2"(D*L) | |
Phototransistor and LED as pair | |||
Pipe adapter 3/4” x 1/4” | Found on: uplastic.com | Item number: 64807 | Adapter used in the air system hoses. |
Pipe adapter for water housing pump- m ¾ x1/4” | Usplastic.com | Item number: 64807 | Temperature range -50f to 275F Maximum pressure: 150psi Weoght 0.0015 lbs |
Power supply 12v 30A 360W | Found on: Amazon.com Brand:ALITOVE | the main power source of the machine. Input Voltage: 220 Volts Output: DC 12V 30A max. | |
PTFE Tubing | Found on Amazon.com | ||
RITEFLOW FLOWMETERS WITH PLAIN ENDS (UNMOUNTED) | Found on:Globalindustrial.com Model number:t9FB3075514 | Item number: H40407-0075 | Monitors air flow in the olfactometer 150mm Scale, Size 2 Manufacturers Part Number:H40407-0075 |
Screw driver | Found on: Amazon.com Brand:Sharden | Used for screws on olfactometer | |
Shrimk wrap/tubing(various sizes to fir 18-22 gauge wire | Found on: Amazon.com Brand:eventronic | Material:Made of Polyolefin, Shrinkage Ratio:2:1 (will shrink to 1/2 its supplied diameter) | |
Silicone Tubing 0.030 x 0.065 | Found on:Amazon.com Brand:Scientific commodities | Tubing for the odor vials | |
Solder- with lead | Found on:Uline.com | S-25294 | Will be used with the soldering iron |
Soldering iron | Found on:Uline.com | Model NO. H-10799 | Will be used to solder the Bottons on the control box and other connections |
Solid State Relay Module Quad Output – Red | Found on: https://www.sealevel.com/ | Part: OB5Q Model: DC Output QSSR Module | Capacitance: 8 pF Dimensions: 2.4" (L) x 1.1" (W) x 3.1" (H) # of I/O : 4 Outputs Max Line Voltage: 60 VDC Max On-State Current: 3A Minimum Line Voltage: 3 VDC Operating Temperature :-30°C to 80°C (-22°F to 176°F) Output Isolation: 4000 Vrms Storage Temperature: -40°C to 100°C (-40°F to 212°F) |
SPST pushbutton switch | Brand:Apiele Found on: Amazon.com | n/a | Used inside of the control box control water valve and final valve. Operating voltage 250v Current rating: 1 Amps, 3 Amps |
Ssr-rack 48 | Found on:Radwell.com | SKU: 83105002 | Processes all the connections of the olfactometer and works with quad-type sooid state relays. |
Stainless steel feeding tubes | |||
Tip tinner and cleaner | Found on: Amazon.com Brand:Thermaltronics | Model number: FBA-TMT-TC-2 | |
Valve Ball PVC 1/4” barb buna | Found on: uplastic.com | Item number:62281 | |
water valve | Found on: Ph.parker.com | Part #: 003-0257-900 | Pumps water into the chamber Maximum Flow Rate: 1500 sccm Voltage (VDC): 24 Maximum Operating Pressure:50 psi, 3.44 bar |
Wire 22awg | Brand:tuofeng Found on: Amazon.com | N/a | Used to wire different components of the olfactometer Material:copper Gauge 30.0 |
Wire snips | Found on:Amazon.com Brand:Billbotk | Will be used to snip wires | |
As Brand: PTFE | Part #036663601452 | Use for delivering odorants. | |
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