Este trabajo fue apoyado por el NINDS 5P30NS069250. Damos las gracias a Diala Chehayeb, Jeffrey Simpson, Rosenbaum Taylor y Christopher Hoover para obtener asistencia técnica.

Implementación del sistema de auriculares consta de cuatro pasos principales. Sección 1 muestra información detallada sobre el montaje de la estructura auriculares, que alberga los componentes electrónicos (altavoces y un micrófono en miniatura). Sección 2 se describe cómo el marco está unido al ave. La sección 3 describe el montaje de los componentes electrónicos. Sección 4 explica cómo el sistema electrónico está conectado al procesamiento de sonido y recopilación de datos de hardware y elabora un procedimiento para comprobar que el sistema funciona correctamente. 1. Fabrique auriculares Frame <ol><li> Cortar los componentes de fibra de carbono para travesaño y auriculares. Utilice la rueda de corte con una herramienta Dremel para preparar las siguientes piezas: Un travesaño (3 cm de 1 x 3 mm tira de fibra de carbono) 2 puntales verticales (1,5 cm de 1 x 3 mm tira de fibra de carbono) 2 auriculares (4 mm de ID mm 4/6 mm OD cilindro de fibra de carbono) </li><li> Ensamble travesaño. Haga dos agujeros pequeños 4,5 mm entre sí en el centro de la barra transversal ( <strong&gt; Figura 1a, parte superior) con una broca de 1,4 mm de diámetro. Los agujeros deben ser lo suficientemente grande como para alojar el tornillo de 0-80. Inserte dos tornillos 0-80 aunque los agujeros y fije las tuercas hexagonales. Corte dos tiras de 6 mm de aguja de la jeringa (cualquier aguja de pequeño diámetro funcionará) y aplanar con una pinza (tiras de agujas en rojo en la figura 1a). Gire la barra sobre lo que las tuercas hexagonales se encuentran en la parte superior. Para evitar epoxi de encolado de la punta de los tornillos de las tuercas hexagonales poner una gota de aceite mineral (se muestra en verde en la Figura 1a) en la punta de cada tornillo. Coloque los dos segmentos de la aguja en la parte superior de las tuercas hexagonales. Tuercas hexagonales epoxi entre sí y los segmentos de aguja, abarcando tanto. (Figura 1a, parte inferior) Después de epoxi se ha curado por completo (24 horas), quite los dos tornillos. La unidad travesaño debe separar en cuatro componentes: dos tornillos, la longitud 3 cm de fibra de carbono, y una pieza única que consta de 2 tuercas hexagonales y 2 segmentos de agujas encoladas con epoxi. Vuelva a montar la unidad travesaño. &lt;/ Li&gt; <li> Fabricar anillos de espuma. Usar un 1/4 en perforadora (6,35 mm) para cortar un cilindro de espuma de un tapón para oídos de espuma. Use tijeras para cortar perpendicular al eje largo del cilindro de espuma produciendo un mm 2 (longitud) por 6,35 mm (diámetro) del cilindro. A continuación, utilice una perforadora de 1/8 (3,175 mm) para cortar el centro del cilindro de espuma de 2 mm, formando un anillo de espuma (que se muestra en color naranja en la Figura 1b). </li><li> Ensamble auriculares. El uso de pegamento epoxi para puntales verticales (1,5 cm de longitud de la tira de fibra de carbono) a la longitud de 4 mm de cilindro de fibra de carbono como se muestra en la Figura 1b, parte inferior. Cuando epoxi se endurece, utilizar una pequeña cantidad de epoxi para pegar el anillo de espuma para el extremo del cilindro (Figura 1b, parte inferior). El anillo de espuma descansará contra la cabeza del ave. </li></ol> 2. Conecte los auriculares a Marco Bird <ol><li> Preparar stereotax. Antes de la cirugía, inserte earbars stereotax a través de auriculares con las almohadillas de espuma hacia adentro (Figura 1c </strong&gt;, arriba). </li><li> Conecte travesaño. Se anestesia el ave con isoflurano y / o ketamina más midazolam. El ave anestesiada debe tener los ojos cerrados y no responder a pizca dedo del pie. Coloque pájaro en stereotax y hacer una incisión en el cuero cabelludo 5-10 mm. La incisión debe ser a lo largo de la línea media y se extienden desde un punto anterior 2 mm anterior de la unión de los músculos del cuello en la parte posterior del cráneo. Frote el cráneo expuesto con 70% de etanol para secar la superficie del hueso. Utilice un soporte de pinza de cocodrilo para colocar travesaño de tal manera que la cubierta de epoxi-hex resto tuercas en la parte superior del cráneo (Figura 1c, d). Levante ligeramente el travesaño y pegar las tuercas hexagonales (con epoxy o acrílico dental) en el cráneo, teniendo cuidado de que el adhesivo sólo toca las tuercas hexagonales y no el propio travesaño. Esto le permitirá quitar los auriculares (quitando los tornillos), dejando sólo las tuercas hexagonales unidos permanentemente a la cabeza (Figura 1d). </li><li> Conecte los auriculares. Slide auriculares along bares del oído hasta que la espuma resto pastillas contra la cabeza del ave (Figura 1c, arriba). Utilice pinzas de cocodrilo en las barras de los oídos, para presionar las almohadillas de espuma firmemente contra la cabeza del ave (Figura 1c, abajo), esto es importante para conseguir un buen aislamiento acústico. Girar auriculares de modo que los postes verticales tocar la parte posterior de la barra transversal, dejando espacio para el enchufe del conector banda (Figura 2) en frente de la entrada. Mensajes pegamento al travesaño usando epoxy o acrílico. </li><li> Recuperación. Deje transcurrir 24 horas para epoxi / acrílico para curar totalmente y aves de recuperarse. Después de la recuperación, examinar cuadros para hacer almohadillas de hule formar un sello hermético alrededor de los canales auditivos. Si el sello está suelto, almohadillas de espuma puede ser eliminado y reemplazado con los más grandes para mejorar la junta de aislamiento acústico. Retire con cuidado los tornillos con un 0,05 en (1,27 mm) Llave hexagonal y quitar marco ensamblado auriculares del pájaro. </li></ol> 3. Ensamble Electronics <ol><li> Fabrique adaptadores altavoces. Hacer adaptadores de altavocesmediante la inserción de una punta de pipeta (una punta de 5,2 cm de largo con un diámetro que se estrecha desde 5 mm hasta 1 mm) en un pedazo de cilindro de fibra de carbono (usar el mismo ID de 4 mm / 6 mm OD cyinder almacenadas como para las almohadillas; longitud de la chatarra de cilindro no es importante), luego se corta punta de la pipeta 1 mm más allá del extremo del cilindro (Figura 2a). Eliminar de cilindro y cortar de manera que la longitud total del adaptador es 3 mm. </li><li> Conecte los altavoces. Soldadura 5 cm de longitud con aislamiento 36 ga. cable a los terminales positivos y negativos de ambos altavoces (cables verde y negro, respectivamente, en la Figura 2d, e). Utilice un ohmímetro para comprobar que ni el terminal está en contacto eléctrico con la carcasa metálica del hablante. </li><li> Ensamble del altavoz / micrófono componente. Epoxy una tira de cinta (cualquier cinta aislante eléctrica funcionará) a un lado de un altavoz y el micrófono epoxi auriculares en la parte superior de la cinta (Figura 2b). Suelde el cable de tierra desde el micrófono a la negativa terminal en el altavoz (conexión que se muestra en negro en la Figura 2e). </li><li> Epoxi el altavoz y el componente del altavoz / micrófono en el extremo más ancho de cada adaptador (Figura 2c, derecha). Tanto el altavoz y puerto de micrófono (sólo) encajan dentro de la pipeta. Asegúrese de que el epoxi no cubre ninguno de los puertos. </li><li> Suavemente inserte los adaptadores en los auriculares (Figura 2d, derecha). Pegamento cada adaptador a su almohadilla con una pequeña gota de epoxi. </li><li> Fabrique tira conector. Cortar un segmento de regleta de conexión de enchufe que consta de cuatro terminales y colocar una marca de referencia (el punto blanco en la Figura 2d) en una esquina de la toma de corriente. Coloque el conector de tira cerca de uno de los postes verticales. Soldar los cables del altavoz y el micrófono para las clavijas en la configuración mostrada en la Figura 2e. Utilice un ohmímetro para comprobar si hay cortocircuitos en la regleta de conexión y reparar si es necesario. Epoxy la tira conector para auriculares de la fRame. Envuelva las tiras de cinta aislante o adhesiva alrededor de los cables expuestos para proteger los cables y añadir fina capa de resina sobre la cinta termina para evitar que se desenrede. El peso final de los auriculares (incluyendo el marco y la electrónica) debe ser 1.3-1.5 g. </li><li> Construir un cable flexible soldando cuatro longitudes de 15 cm de aislamiento de 36 ga. alambre a un segmento de cabecera tira de conector que consta de cuatro terminales (Figura 3a). Colocar una marca de referencia (el punto blanco en la Figura 3) en una esquina de la cabecera para asegurarse de que el plomo está conectado a la toma en la orientación correcta. Cables trenzado y acabado de plomo por soldando los cables a un adaptador que se conecta al colector (Figura 3b). </li></ol> 4. Conecte Electronics Auriculares para alimentación y del equipo de procesamiento de señales <ol><li> Recopilar, filtrar, cambio de tono, y amplificar la señal acústica. Cuelgue un micrófono de condensador omnidireccional (&quot;mic Cage,&quot; Figura 4) directamente aBové jaula del pájaro. Preamplify y filtro de paso bajo la señal (corte a 10 kHz para la canción Finch) y de entrada que en el Harmonizer (o de otro tipo de procesamiento de sonido en tiempo real de hardware). Use el módulo de cambio de tono en el Harmonizer para generar una señal acústica cambiado. Amplificar esta señal y la ruta que (a través del colector y el cable flexible) al canal positivo en los auriculares de los altavoces (verde en la Figura 2e). </li><li> Para suministrar energía al micrófono teléfonos. Conecte una batería de 9 V a la pared de caja de resonancia de las aves. Conectar el terminal positivo de la batería a la V + canal (rojo en la Figura 2e) a través del colector y el cable flexible, que conecta el terminal negativo de la batería a una tierra común en el equipo de procesamiento de la señal. Conecte este terreno común para el altavoz y el micrófono de baja los teléfonos (negro en la Figura 2e). </li><li> Calibración de ganancia de realimentación. Conecte los auriculares terminados a las tuercas hexagonales de cabeza de pájaro con tornillos 0-80. Cuando ave empieza a cantar, rEcord tres canales de datos (jaula de mic / unshifted señal, señal desplazada, y el micrófono teléfonos) como se muestra en la Figura 4. Examine el sonido a través del micrófono de los teléfonos. Este canal se grabará la superposición de las votaciones virtuales (interpretado por el altavoz auriculares) y el canto real del ave &quot;filtrar&quot; directamente en el marco de los auriculares. Ajuste el ajuste de amplitud del amplificador del altavoz (Figura 4) para que la retroalimentación auditiva virtual es 15-20 dB más fuerte que la señal directa / con fugas. Tenga en cuenta que el aumento de la amplitud más allá de este umbral puede dar lugar a la hemorragia virtual de la señal a través de los auriculares y siendo recogido por el micrófono jaula, lo que resulta en una distorsión retroalimentación. Un ejemplo de un sistema bien calibrado (en la que la señal registrada por el micrófono de los auriculares está dominada por la señal de tono modificado en lugar de la señal directa / con fugas) se muestra en la Figura 5. Aquí, la señal grabada a través del micrófono auriculares (Figura 5a<html> , Derecha) está dominada por la señal de tono modulado (en lugar de vocalización natural del ave), como se muestra en el espectro de potencia de ejemplo en la figura 5b. </li><li> Supervisar el rendimiento del sistema. Compruebe auriculares dos veces al día para asegurarse de que tanto los altavoces y el micrófono funcionan correctamente. Tenga en cuenta que el micrófono de los auriculares sólo supervisa uno de los altavoces. Para probar el otro altavoz, toque el micrófono jaula mientras se mantiene el hablante no vigilado al lado de su oreja - se oirá un chasquido si el orador no controlada está funcionando. Otra comprobación recomendada es desconectar la fuente de alimentación y salida de señal desde el micrófono del teléfono y usar un óhmetro para medir la resistencia a través de los altavoces (negro y verde en la Figura 2e). Cuando ambos altavoces están conectados, esta será la mitad de la resistencia a través de un solo altavoz desde los altavoces están conectados en paralelo. </li></ol> 5. Una nota sobre el costo de los materiales nt &quot;&gt; Con dos notables excepciones, todos los elementos que figuran en la tabla de materiales son relativamente baratos (menos de unos pocos cientos de dólares USA). Los componentes más costosos son el colector y el Harmonizer enumeran en la tabla, que tienen un coste de 2.000 dólares de los EE.UU. o más. Tomamos nota de que las versiones menos costosas de ambos elementos pueden obtenerse de fabricantes distintos a los que aparecen (aunque no los he probado) y podría permitir a los investigadores a aplicar este protocolo a un costo más bajo.

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No hay conflictos de interés declarado.

El protocolo que aquí se presenta permite al experimentador para manipular retroalimentación auditiva en las aves cantoras. La construcción ligera permite que tales manipulaciones que se mantenga durante largos períodos, y los pájaros cantarán prolíficamente mientras que el uso de auriculares durante un mes o más. Aunque algunos pájaros cantarán por hasta 10 semanas con auriculares, en algunos casos, la cantidad de cantar comienza a disminuir después de ~ 5 semanas de uso. Por esta razón, normalmente limitar los experimentos a 4 semanas. En nuestra experiencia, cada pájaro cantor equipado con auriculares puede esperar para cantar 100 + peleas de canciones por día (ya veces mucho más). Por lo tanto, si se emplea correctamente, el sistema de auriculares ofrece una tasa de éxito de casi el 100% (si el éxito se define por la adquisición de datos de los pájaros cantores). Además, después de completar un experimento de aprendizaje de los auriculares se puede quitar y posteriormente vuelve a unir para la recogida de datos adicionales. A condición de que el animal se encuentra en buen estado general de salud Reatta<html> chment puede tener lugar en cualquier momento. Un determinante importante del éxito es minimizar el peso y la optimización de la comodidad de los auriculares. Durante la construcción, se debe tener cuidado para minimizar la cantidad de epoxi o acrílico dental usado como el exceso de adhesivo se incrementará el peso total del aparato y potencialmente reducir la disposición de las aves para cantar. Además, varios días después de conectar los auriculares, el aparato debe ser retirado brevemente para verificar que la piel alrededor de los conductos auditivos no se irritan por los auriculares, que pueden ocurrir si los auriculares están muy apretados. Los conductos auditivos deben aparecer tal como lo hicieron en el momento de la fijación auriculares (abierta y sin signos de enrojecimiento o hinchazón). Si se produce irritación, la presión puede ser aliviado por la reducción del espesor de las almohadillas de espuma. Tenga cuidado de asegurarse de que la espuma endurecida por epoxi secada no hace contacto con la piel de las aves, ya que esto también puede causar irritación. <html> t &quot;&gt; Es importante tener en cuenta que, además de la variación de tono seleccionado por el experimentador, la retroalimentación auditiva virtual también se retrasa (por ~ 10 ms, lo que refleja la latencia de procesamiento de la Harmonizer) y se introduce a una amplitud mayor que la del ave retroalimentación auditiva natural (con el fin de ahogar el sonido del canto natural del ave &quot;filtrar&quot; a los auriculares). Por esta razón, los experimentos deben comenzar con un período de referencia de varios días en los que el pájaro canta con los auriculares puestos, pero con cero cambio de tono 14, permitiendo que el efecto del cambio de tono para aislarse de los cambios vocales que resultan de otros factores relacionados con el paradigma de los auriculares. En la práctica, los cambios en el tono de una canción o amplitud rara vez se observa cuando los pájaros comienzan a cantar primero con los auriculares en ausencia de un cambio de tono. Además, hemos demostrado que la exposición prolongada a la retroalimentación unshifted entrega a través de los auriculares no causa un cambio en el tono canción 14. contenido &quot;&gt; Anteriormente hemos utilizado este diseño para demostrar que en los pájaros cantores adultos, ambos turnos alza ya la baja en el tono de retroalimentación auditiva generar cambios adaptativos en la entonación vocal (es decir, cambios de signo opuesto a la de desplazamiento de realimentación) 14. Incluyendo tanto hacia arriba como se desplaza hacia abajo en cualquier experimento empleando este paradigma es importante porque tal diseño puede demostrar que los cambios de tono de la canción en respuesta a cambios en el tono de retroalimentación auditiva (y no en respuesta a los artefactos de retardo o la amplitud introducidas por los auriculares). Además, una fortaleza clave de este paradigma es que puede ser utilizado para introducir manipulaciones arbitrarias auditivas. El sistema Harmonizer puede generar una amplia variedad de perturbaciones en línea, por ejemplo mediante la alteración de la envolvente de amplitud o espectral de la señal acústica. Ampliación de la gama de manipulaciones más allá de tono turnos por lo tanto se podría utilizar para examinar una variedad de fenómenos vocales de aprendizaje. Además, el headphones podrían ser utilizados para entregar el ruido blanco o otras señales de refuerzo condicionales para impulsar el aprendizaje en sílabas individuales 16. Por último, este paradigma podría, en principio, ser empleados en cualquier sistema de pequeños animales que se basa en la retroalimentación auditiva durante comportamiento vocal. Tomamos nota de que nuestra técnica, que imita manipulaciones auditivas retroalimentación utilizados para estudiar el lenguaje humano 4-7, permite plasticidad vocal para su investigación en un modelo animal fisiológicamente accesible. La combinación de los estudios de comportamiento de la corrección de errores vocal con lesiones cerebrales, manipulaciones farmacológicas, o grabaciones neuronales podrían ser utilizados para revelar cómo determinados circuitos neuronales contribuir a la corrección de errores en la interpretación vocal.

<table border="1"><tbody><tr><td> Nombre del reactivo / material </td><td> Empresa </td><td> Número de catálogo </td><td> Comentarios </td></tr><tr><td> Las tuercas hexagonales </td><td> Amazon suministro </td><td> B000FMW43Y </td><td></td></tr><tr><td> 0-80 Tornillos, 1/8 &quot; </td><td> Amazon suministro </td><td> B000FN0JXK </td><td></td></tr><tr><td> 0,05 &quot;llave hexagonal </td><td> Amazon suministro </td><td> B003GDISE8 </td><td></td></tr><tr><td> Auriculares Altavoces </td><td> Digikey </td><td> 423-1113-ND </td><td></td></tr><tr><td> Auriculares micrófono </td><td> Digikey </td><td> 423-1062-ND </td><td></td></tr><tr><td> Harmonizer </td><td> Sweetwater Sound </td><td> H7600</td><td></td></tr><tr><td> (Eventide H7600) </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> Tira de fibra de carbono, 1 x 3 mm </td><td> Hobby Lobby Internacional </td><td> GXS1030 </td><td></td></tr><tr><td> Carbon cilindro de fibra, 6 mm (diámetro exterior) x 4 mm (ID) </td><td> Hobby Lobby Internacional </td><td> GXT6040 </td><td></td></tr><tr><td> Alambre </td><td> Cooner Wire &amp; Cable </td><td> NUF36-2550 </td><td></td></tr><tr><td> Conector tira cabecera </td><td> Digikey </td><td> ED83100-ND </td><td></td></tr><tr><td> Conector regleta de enchufes </td><td> Digikey </td><td> ED85100-ND </td><td></td></tr><tr><td> Tapones para los oídos de espuma </td><td> AO DE SEGURIDAD </td><td> 92050 </td><td></td></tr><tr> &lt;td&gt; 1/8 &quot;taladro </td><td> Paperwishes </td><td> 7260197000 </td><td></td></tr><tr><td> 1/4 &quot;taladro </td><td> Paperwishes </td><td> 7260198000 </td><td></td></tr><tr><td> Puntas de pipeta </td><td> VWR </td><td> 89003-056 </td><td></td></tr><tr><td> Acrílico dental </td><td> Maxcem </td><td> 33873 </td><td></td></tr><tr><td> 5 minutos de epoxy </td><td> Devcon </td><td> 14210 </td><td></td></tr><tr><td> Jaula micrófono </td><td> Compatriota </td><td> B3P4FF05B </td><td></td></tr><tr><td> Micrófono preamplificador </td><td> M-audio </td><td> DMP3 </td><td></td></tr><tr><td> Altavoz amplificador (Crown D-45) </td><td> Sweetwater sonido </td><td> D-45 </td><td></td></tr><tr><td> Filtro de paso bajo </td><td> Krohn-Hite </td><td> FMB3002AC, 3FS8SL-10kg-N1U1 </td><td></td></tr><tr><td> Conmutador </td><td> Dragonfly </td><td> SL-88-10 </td><td></td></tr><tr><td> Alligator Clip titular </td><td> GC Electronics </td><td> 12-051 </td><td></td></tr><tr><td> Aceite mineral </td><td> Sigma </td><td> M3516 </td><td></td></tr><tr><td> Dremel herramienta </td><td> Dremel </td><td> 8200 </td><td></td></tr></tbody></table>

a lightweight, headphones-based system for manipulating auditory feedback in songbirds

Manipulaciones experimentales de retroalimentación sensorial durante el complejo comportamiento han proporcionado información valiosa sobre los cálculos subyacentes de control del motor y la plasticidad sensoriomotor 1. Resultado consistente perturbaciones sensoriales en cambios compensatorios en la salida del motor, lo que refleja los cambios en el control motor feedforward que reducen el error de retroalimentación con experiencia. Al cuantificar cómo diferentes errores de realimentación sensoriales afectan la conducta humana, los estudios anteriores han examinado cómo las señales visuales se utilizan para calibrar los movimientos del brazo 2,3 y retroalimentación auditiva se utiliza para modificar la producción del habla 4-7. La fuerza de este enfoque se basa en la capacidad de imitar los errores naturalistas en el comportamiento, lo que permite al experimentador observar cómo los errores experimentados en la producción se utilizan para volver a calibrar la salida del motor. Songbirds proporcionar un excelente modelo animal para investigar las bases neuronales de control sensomotor y plasticidad 8,9 </sup&gt;. El cerebro de un pájaro ofrece un circuito bien definido en el que las áreas necesarias para el aprendizaje del canto están espacialmente separados de los requeridos para la producción de la canción, y la grabación y estudios de lesión neural han logrado avances significativos en la comprensión de cómo las diferentes áreas del cerebro contribuyen a la conducta vocal 9-12 . Sin embargo, la falta de un naturalista de corrección de errores paradigma - en el que se perturba un parámetro acústico conocido por el experimentador y luego corregida por el songbird - ha hecho que sea difícil de entender los cálculos subyacentes aprendizaje vocal o de cómo los diferentes elementos del circuito neural contribuir para la corrección de errores vocales 13. La técnica descrita aquí proporciona un control preciso sobre el experimentador errores de realimentación auditiva en pájaros cantores, permitiendo la introducción de errores arbitrarias sensoriales que pueden ser utilizados para conducir el aprendizaje vocal. Línea de procesamiento de sonido equipo se utiliza para introducir una perturbación conocida ala acústica de la canción, y un aparato miniaturizado de auriculares se utiliza para reemplazar la retroalimentación auditiva natural de un pájaro cantor con la señal perturbada en tiempo real. Hemos utilizado este paradigma para perturbar la frecuencia fundamental (pitch) de la retroalimentación auditiva en los pájaros cantores adultos, proporcionando la primera demostración de que las aves adultas mantener el rendimiento vocal utilizando la corrección de error 14. El presente protocolo se puede utilizar para implementar una amplia gama de perturbaciones retroalimentación sensorial (incluyendo, pero no limitado a cambios de tono) para investigar la base computacional y neurofisiológica del aprendizaje vocal.

La figura 6 muestra un experimento representativo realizado en un adulto pinzón Bengalese. En este caso, el sistema de auriculares se utiliza para aumentar el tono de retroalimentación auditiva en un semitono (una doceava parte de una octava, lo que supone un cambio de aproximadamente el 6% de la frecuencia absoluta) durante 16 días. Esta manipulación resultó en una reducción gradual del tono de todas las sílabas de canciones (líneas de color). Este cambio en el programa de motor vocal resultó en una reducción en el error auditivo experimentado por el ave (línea de trazos), lo que demuestra la dependencia de las aves en la retroalimentación auditiva para corregir errores aparentes vocales. Cuando el cambio de tono se retiró después de 16 días, el tono de la canción finalmente regresó a los niveles basales. Los datos mostrados en la Figura 6 son típicos en que reflejan la adaptación incompleta. En este caso, aunque el tono de retroalimentación auditiva se desplazó en 1,0 semitonos, el pájaro cambió el tono de su canción por sólo alrededor de 0,4 semitones. Través de las especies y de los sistemas, la adaptación incompleta es la norma cuando retroalimentación virtual se utiliza para perturbar una sola modalidad sensorial 5,15, y en el paradigma actual probablemente refleja una dependencia parcial en no auditivos (por ejemplo propioceptiva) como señales de pájaros cantores evaluar su rendimiento vocal en curso. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/50027/50027fig1.jpg" /> Figura 1. Auriculares montaje del marco. una asamblea. Crossbar. Fije los tornillos, el travesaño, tuercas hexagonales y agujas de jeringuillas (rojo) con adhesivo epoxi (azul) como se muestra. Cubra la punta de cada tornillo con aceite mineral (verde) para evitar que se adhiera al epoxi tornillos. B. Earbud asamblea. Adjuntar mensaje, el cilindro y la almohadilla de espuma (naranja) con epoxi. C. Auriculares marco de montaje. Antes de la cirugía, hilo stereotax earbars (negro) a través de auriculares. Conecte travesaño al cráneo usando epoxy o acrílico dental (azul), a continuación, conecte los auriculares para travesaño utilizando pinzas para presionar suavemente las almohadillas de espuma contra la cabeza del ave. d. Izquierda, vista lateral que ilustra la posición de la barra transversal y auriculares en la cabeza del ave. Derecho, vista lateral del conjunto de tuerca hexagonal adherida al cráneo después de la trama auriculares se ha eliminado separando los tornillos. Barra de escala en b se refiere a todos los paneles. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/50027/50027fig2.jpg" /> Figura 2. Ensamblado de Electrónicos. a. Hacer un adaptador mediante la inserción de una punta de pipeta en un trozo de cilindro de fibra de carbono y punta de la pipeta de corte a medida. b. Usando epoxi, un altavoz y micrófono pegamento auriculares juntos separados por un pedazo de cinta adhesiva. C. Pegue el adaptador en altavoz (imagen) y altavoz / auriculares micrófono componente. D. Soldar los cables de los altavoces y micrófono auriculares al conector s una tiraocket y pegar el enchufe en la parte superior del marco de los auriculares. Punto blanco, marca de alineación del conector de enchufe strip. E. Esquema que muestra las conexiones entre los altavoces, micrófono auriculares, y el zócalo. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/50027/50027fig3.jpg" /> Figura 3. El plomo asamblea. a. Fabricar un cable flexible de soldadura por cuatro 15 cm de longitud de cable a las patillas de un lado de una tira de cabecera conector y cables trenzados juntos. Suelde el otro extremo de los cables conductores a un adaptador que conecta al conmutador. Punto blanco, marca de alineación en las cabeceras de tira del conector. B. Conecte el plomo en socket tira conector de auriculares para realizar retroalimentación auditiva alterada al altavoz auriculares, el poder del micrófono auriculares y registrar las señales del micrófono de los auriculares. Alinear puntos en cabecera Regleta de conexión y el enchufe para garantizar la conectividad correcta. Figura 4. Resumen de Circuito. Diagrama de flujo que resume la conectividad del sistema. Los datos de tres canales de registro (1) la señal desde el micrófono unshifted jaula, (2) una copia de la señal de tono modulado enviada a los altavoces auriculares, y (3) la forma de onda de sonido grabado por el micrófono auriculares. Preamplificador de micrófono preamplificador; LPF, filtro de paso bajo. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/50027/50027fig5.jpg" /> Figura 5. Prueba del sistema. una de espectrogramas. sonido grabado en los tres canales de datos. Cada canal de datos muestra tres sílabas de canciones. Color representa el poder en cada momento y la frecuencia acústica. B. Espectro de potencia en el momento indicado por las líneas verticales rojas en una. Nótese que los picos en el espectro de micrófono auriculares (verde) de acuerdo con los picos en the tono modificado (rojo) en lugar de la no desplazada (negro) de la señal, lo que indica que el sonido que llega al oído del ave está dominado por la retroalimentación desplazado. <img alt="La figura 6" src="/files/ftp_upload/50027/50027fig6.jpg" /> Figura 6. Utilizando el sistema de auriculares para impulsar el aprendizaje vocal. Vocal corrección de errores en un adulto pinzones bengalíes. Líneas de color que muestran los cambios en el tono de siete sílabas de canciones diferentes durante un período de 16 días (caja gris) en los que se utilizó el sistema de auriculares para cambiar el tono de retroalimentación auditiva hacia arriba en un semitono. Línea de color negro sólido, con una media de cambio de paso a través de todas las sílabas de canciones. La línea de puntos negro muestra el error de inclinación media experimentada por el sujeto durante la época de cambios. Tenga en cuenta que el cambio en el tono canción sirve para reducir el error de inclinación con experiencia. Después del cambio de tono se fijó en cero el día 17 tono basal enfoques. El día 24 los auriculares se eliminaron, yreemplazado en día 46, en el que paso de tiempo se había recuperado de nuevo a su valor basal.

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A Lightweight, Headphones-based System for Manipulating Auditory Feedback in Songbirds

Se describe el diseño y montaje de los auriculares miniaturizados adecuados para la sustitución de retroalimentación auditiva natural de un pájaro cantor con una señal acústica manipulado. Online hardware de procesamiento de sonido se utiliza para manipular la salida canción, introducir en tiempo real de los errores en la retroalimentación auditiva a través de los auriculares, e impulsar el aprendizaje motor vocal.

Un peso ligero, Auriculares basada Sistema de Manipulación de retroalimentación auditiva en Songbirds

Experimental manipulations of sensory feedback during complex behavior have provided valuable insights into the computations underlying motor control and ...

a-lightweight-headphones-based-system-for-manipulating-auditory

Research

JoVE Journal

Neuroscience

14.1K vistas.  Emory University. Se describe el diseño y montaje de los auriculares miniaturizados adecuados para la sustitución de retroalimentación auditiva natural de un pájaro cantor con una señal acústica manipulado. Online hardware de procesamiento de sonido se utiliza para manipular la salida canción, introducir en tiempo real de los errores en la retroalimentación auditiva a través de los auriculares, e impulsar el aprendizaje motor vocal.

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A Fully Automated and Highly Versatile System for Testing Multi-cognitive Functions and Recording Neuronal Activities in Rodents

We have developed a fully automated system for operant behavior testing and neuronal activity recording by which multiple cognitive brain functions can be investigated in a single task sequence. The unique feature of this system is a custom-made, acoustically transparent chamber that eliminates many of the issues associated with auditory cue control in most commercially available chambers. The ease with which operant devices can be added or replaced makes this system quite versatile, allowing for the implementation of a variety of auditory, visual, and olfactory behavioral tasks. Automation of the system allows fine temporal (10 ms) control and precise time-stamping of each event in a predesigned behavioral sequence. When combined with a multi-channel electrophysiology recording system, multiple cognitive brain functions, such as motivation, attention, decision-making, patience, and rewards, can be examined sequentially or independently.

In this report, we present a fully automated and highly versatile system capable of simultaneously testing multi-cognitive behaviors and recording neuronal activities for rodents.

Un sistema totalmente automatizado y altamente versátil para las pruebas múltiples funciones cognitivas y el registro de las actividades neuronales en los roedores

We have developed a fully automated system for operant behavior testing and neuronal activity recording by which multiple cognitive brain functions can be ...

Investigación

Neurociencias

Functional Imaging of Auditory Cortex in Adult Cats using High-field fMRI

Current knowledge of sensory processing in the mammalian auditory system is mainly derived from electrophysiological studies in a variety of animal models, including monkeys, ferrets, bats, rodents, and cats. In order to draw suitable parallels between human and animal models of auditory function, it is important to establish a bridge between human functional imaging studies and animal electrophysiological studies. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is an established, minimally invasive method of measuring broad patterns of hemodynamic activity across different regions of the cerebral cortex. This technique is widely used to probe sensory function in the human brain, is a useful tool in linking studies of auditory processing in both humans and animals and has been successfully used to investigate auditory function in monkeys and rodents. The following protocol describes an experimental procedure for investigating auditory function in anesthetized adult cats by measuring stimulus-evoked hemodynamic changes in auditory cortex using fMRI. This method facilitates comparison of the hemodynamic responses across different models of auditory function thus leading to a better understanding of species-independent features of the mammalian auditory cortex.

Functional studies of the auditory system in mammals have traditionally been conducted using spatially-focused techniques such as electrophysiological recordings. The following protocol describes a method of visualizing large-scale patterns of evoked hemodynamic activity in the cat auditory cortex using functional magnetic resonance imaging.

Imágenes funcionales de la corteza auditiva en los gatos adultos el uso de alto campo fMRI

Current knowledge of sensory processing in the mammalian auditory system is mainly derived from electrophysiological studies in a variety of animal ...

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution has been a long sought tool for neuroscientists in the systems-level search for the neural circuitry governing complex behavioral states. Optogenetics is a cutting-edge tool that is revolutionizing the field of neuroscience and represents one of the first systematic approaches to enable causal testing regarding the relation between neural signaling events and behavior. By combining optical and genetic approaches, neural signaling can be bi-directionally controlled through expression of light-sensitive ion channels (opsins) in mammalian cells. The current protocol describes delivery of specific wavelengths of light to opsin-expressing cells in deep brain structures of awake, freely-moving rodents for neural circuit modulation. Theoretical principles of light transmission as an experimental consideration are discussed in the context of performing in vivo optogenetic stimulation. The protocol details the design and construction of both simple and complex laser configurations and describes tethering strategies to permit simultaneous stimulation of multiple animals for high-throughput behavioral testing.

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

Optogenetics has become a powerful tool for use in behavioral neuroscience experiments. This protocol offers a step-by-step guide to the design and set-up of laser systems, and provides a full protocol for carrying out multiple and simultaneous in vivo optogenetic stimulations compatible with most rodent behavioral testing paradigms.

In vivo optogenético la estimulación del sistema nervioso central de roedores

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution ...

Optogenetic Stimulation of the Auditory Nerve

Direct electrical stimulation of spiral ganglion neurons (SGNs) by cochlear implants (CIs) enables open speech comprehension in the majority of implanted deaf subjects1-6. Nonetheless, sound coding with current CIs has poor frequency and intensity resolution due to broad current spread from each electrode contact activating a large number of SGNs along the tonotopic axis of the cochlea7-9. Optical stimulation is proposed as an alternative to electrical stimulation that promises spatially more confined activation of SGNs and, hence, higher frequency resolution of coding. In recent years, direct infrared illumination of&#160;the cochlea has been used to evoke responses in the auditory nerve10. Nevertheless it requires higher energies than electrical stimulation10,11 and uncertainty remains as to the underlying mechanism12. Here we describe a method based on optogenetics to stimulate SGNs with low intensity blue light, using transgenic mice with neuronal expression of channelrhodopsin 2 (ChR2)13 or virus-mediated expression of the ChR2-variant CatCh14. We used micro-light emitting diodes (&#181;LEDs) and fiber-coupled lasers to stimulate ChR2-expressing SGNs through a small artificial opening (cochleostomy) or the round window. We assayed the responses by scalp recordings of light-evoked potentials (optogenetic auditory brainstem response: oABR) or by microelectrode recordings from the auditory pathway and compared them with acoustic and electrical stimulation.

Cochlear implants (CIs) enable hearing by direct electrical stimulation of the auditory nerve. However, poor frequency and intensity resolution limits the quality of hearing with CIs. Here we describe optogenetic stimulation of the auditory nerve in mice as an alternative strategy for auditory research and developing future CIs.

Estimulación Optogenética del nervio auditivo

Direct electrical stimulation of spiral ganglion neurons (SGNs) by cochlear implants (CIs) enables open speech comprehension in the majority of implanted ...

Extracellular Recording of Neuronal Activity Combined with Microiontophoretic Application of Neuroactive Substances in Awake Mice

Differences in the activity of neurotransmitters and neuromodulators, and consequently different neural responses, can be found between anesthetized and awake animals. Therefore, methods allowing the manipulation of synaptic systems in awake animals are required in order to determine the contribution of synaptic inputs to neuronal processing unaffected by anesthetics. Here, we present methodology for the construction of electrodes to simultaneously record extracellular neural activity and release multiple neuroactive substances at the vicinity of the recording sites in awake mice. By combining these procedures, we performed microiontophoretic injections of gabazine to selectively block GABAA receptors in neurons of the inferior colliculus of head-restrained mice. Gabazine successfully modified neural response properties such as the frequency response area and stimulus-specific adaptation. Thus, we demonstrate that our methods are suitable for recording single-unit activity and for dissecting the role of specific neurotransmitter receptors in auditory processing.
The main limitation of the described procedure is the relatively short recording time (~3 hr), which is determined by the level of habituation of the animal to the recording sessions. On the other hand, multiple recording sessions can be performed in the same animal. The advantage of this technique over other experimental procedures used to manipulate the level of neurotransmission or neuromodulation (such as systemic injections or the use of optogenetic models), is that the drug effect is confined to the local synaptic inputs to the target neuron. In addition, the custom-manufacture of electrodes allows adjustment of specific parameters according to the neural structure and type of neuron of interest (such as the tip resistance for improving the signal-to-noise ratio of the recordings).

We present methods for the construction of electrodes to simultaneously record extracellular neural activity and release multiple neuroactive substances at the vicinity of the recording sites in awake mice. This technique allows the detailed analysis of putative local synaptic inputs to the neuron of interest.

Extracelular de grabación de la actividad neuronal junto con la aplicación de sustancias Microiontophoretic neuroactivos en ratones Awake

Differences in the activity of neurotransmitters and neuromodulators, and consequently different neural responses, can be found between anesthetized and ...

Measuring and Manipulating Functionally Specific Neural Pathways in the Human Motor System with Transcranial Magnetic Stimulation

Understanding interactions between brain areas is important for the study of goal-directed behavior. Functional neuroimaging of brain connectivity has provided important insights into fundamental processes of the brain like cognition, learning, and motor control. However, this approach cannot provide causal evidence for the involvement of brain areas of interest. Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a powerful, noninvasive tool for studying the human brain that can overcome this limitation by transiently modifying brain activity. Here, we highlight recent advances using a paired-pulse, dual-site TMS method with two coils that causally probes cortico-cortical interactions in the human motor system during different task contexts. Additionally, we describe a dual-site TMS protocol based on cortical paired associative stimulation (cPAS) that transiently enhances synaptic efficiency in two interconnected brain areas by applying repeated pairs of cortical stimuli with two coils. These methods can provide a better understanding of the mechanisms underlying cognitive-motor function as well as a new perspective on manipulating specific neural pathways in a targeted fashion to modulate brain circuits and improve behavior. This approach may prove to be an effective tool to develop more sophisticated models of brain-behavior relations and improve diagnosis and treatment of many neurological and psychiatric disorders.

This article describes new approaches to measure and strengthen functionally specific neural pathways with transcranial magnetic stimulation. These advanced noninvasive brain stimulation methodologies can provide new opportunities for the understanding of brain-behavior relations and development of new therapies to treat brain disorders.

Medición y manipulación de vías neuronales funcionalmente específicas en el sistema motor humano con estimulación magnética transcraneal

Understanding interactions between brain areas is important for the study of goal-directed behavior. Functional neuroimaging of brain connectivity has ...

Stereocilia Bundle Imaging with Nanoscale Resolution in Live Mammalian Auditory Hair Cells

Inner ear hair cells detect sound-induced displacements and transduce these stimuli into electrical signals in a hair bundle that consists of stereocilia that are arranged in rows of increasing height. When stereocilia are deflected, they tug on tiny (~5 nm in diameter) extracellular tip links interconnecting stereocilia, which convey forces to the mechanosensitive transduction channels. Although mechanotransduction has been studied in live hair cells for decades, the functionally important ultrastructural details of the mechanotransduction machinery at the tips of stereocilia (such as tip link dynamics or transduction-dependent stereocilia remodeling) can still be studied only in dead cells with electron microscopy. Theoretically, scanning probe techniques, such as atomic force microscopy, have enough resolution to visualize the surface of stereocilia. However, independent of imaging mode, even the slightest contact of the atomic force microscopy probe with the stereocilia bundle usually damages the bundle. Here we present a detailed protocol for the hopping probe ion conductance microscopy (HPICM) imaging of live rodent auditory hair cells. This non-contact scanning probe technique allows time lapse imaging of the surface of live cells with a complex topography, like hair cells, with single nanometers resolution and without making physical contact with the sample. The HPICM uses an electrical current passing through the glass nanopipette to detect the cell surface in close vicinity to the pipette, while a 3D-positioning piezoelectric system scans the surface and generates its image. With HPICM, we were able to image stereocilia bundles and the links interconnecting stereocilia in live auditory hair cells for several hours without noticeable damage. We anticipate that the use of HPICM will allow direct exploration of ultrastructural changes in the stereocilia of live hair cells for better understanding of their function.

Here we present a protocol for the Hopping Probe Ion Conductance Microscopy (HPICM), a non-contact scanning probe technique that allows nanoscale imaging of stereocilia bundles in live auditory hair cells.

Imágenes de paquetes de estereocilios con resolución a nanoescala en células ciliadas auditivas de mamíferos vivos

Inner ear hair cells detect sound-induced displacements and transduce these stimuli into electrical signals in a hair bundle that consists of stereocilia ...

Evaluation of Auditory Brainstem Response in Chicken Hatchlings

The auditory brainstem response (ABR) is an invaluable assay in clinical audiology, non-human animals, and human research. Despite the widespread use of ABRs in measuring auditory neural synchrony and estimating hearing sensitivity in other vertebrate model systems, methods for recording ABRs in the chicken have not been reported in nearly four decades. Chickens provide a robust animal research model because their auditory system is near functional maturation during late embryonic and early hatchling stages. We have demonstrated methods used to elicit one or two-channel ABR recordings using subdermal needle electrode arrays in chicken hatchlings. Regardless of electrode recording configuration (i.e., montage), ABR recordings included 3-4 positive-going peak waveforms within the first 6 ms of a suprathreshold click stimulus. Peak-to-trough waveform amplitudes ranged from 2-11 &#181;V at high-intensity levels, with positive peaks exhibiting expected latency-intensity functions (i.e., increase in latency as a function of decreased intensity). Standardized earphone position was critical for optimal recordings as loose skin can occlude the ear canal, and animal movement can dislodge the stimulus transducer. Peak amplitudes were smaller, and latencies were longer as animal body temperature lowered, supporting the need for maintaining physiological body temperature. For young hatchlings (&#60;3 h post-hatch day 1), thresholds were elevated by ~5 dB, peak latencies increased ~1-2 ms, and peak to trough amplitudes were decreased ~1 &#181;V compared to older hatchlings. This suggests a potential conductive-related issue (i.e., fluid in the middle ear cavity) and should be considered for young hatchlings. Overall, the ABR methods outlined here permit accurate and reproducible recording of in-vivo auditory function in chicken hatchlings that could be applied to different stages of development. Such findings are easily compared to human and mammalian models of hearing loss, aging, or other auditory-related manipulations.

We have used standard auditory brainstem response (ABR) techniques and applied them to hatchling chickens, a precocious avian model for auditory function. The protocol outlines animal preparation and ABR acquisition techniques in detail, with steps that could translate to other avian or rodent models.

Evaluación de la respuesta auditiva del tronco encefálico en crías de pollo

The auditory brainstem response (ABR) is an invaluable assay in clinical audiology, non-human animals, and human research. Despite the widespread use of ...

Dissecting Cell-Autonomous Function of Fragile X Mental Retardation Protein in an Auditory Circuit by In Ovo Electroporation

Fragile X mental retardation protein (FMRP) is an mRNA-binding protein that regulates local protein translation. FMRP loss or dysfunction leads to aberrant neuronal and synaptic activities in fragile X syndrome (FXS), which is characterized by intellectual disability, sensory abnormalities, and social communication problems. Studies of FMRP function and FXS pathogenesis have primarily been conducted with Fmr1 (the gene encoding FMRP) knockout in transgenic animals. Here we report an in vivo method for determining the cell-autonomous function of FMRP during the period of circuit assembly and synaptic formation using chicken embryos. This method employs stage-, site-, and direction-specific electroporation of a drug-inducible vector system containing Fmr1 small hairpin RNA (shRNA) and an EGFP reporter. With this method, we achieved selective FMRP knockdown in the auditory ganglion (AG) and in one of its brainstem targets, the nucleus magnocellularis (NM), thus providing a component-specific manipulation within the AG-NM circuit. Additionally, the mosaic pattern of the transfection allows within-animal controls and neighboring neuron/fiber comparisons for enhanced reliability and sensitivity in data analyzing. The inducible vector system provides temporal control of gene editing onset to minimize accumulating developmental effects. The combination of these strategies provides an innovative tool to dissect the cell-autonomous function of FMRP in synaptic and circuit development.

Dissecting Cell-Autonomous Function of Fragile X Mental Retardation Protein in an Auditory Circuit by In Ovo Electroporation

Using in ovo electroporation, we devised a method to selectively transfect the auditory inner ear and cochlear nucleus in chicken embryos to achieve a cell-group-specific knockdown of fragile X mental retardation protein during discrete periods of circuit assembly.

Disección de la función autónoma celular de la proteína de retraso mental X frágil en un circuito auditivo mediante electroporación in ovo

Fragile X mental retardation protein (FMRP) is an mRNA-binding protein that regulates local protein translation. FMRP loss or dysfunction leads to ...

Pupillometry to Assess Auditory Sensation in Guinea Pigs

Noise exposure is a leading cause of sensorineural hearing loss. Animal models of noise-induced hearing loss have generated mechanistic insight into the underlying anatomical and physiological pathologies of hearing loss. However, relating behavioral deficits observed in humans with hearing loss to behavioral deficits in animal models remains challenging. Here, pupillometry is proposed as a method that will enable the direct comparison of animal and human behavioral data. The method is based on a modified oddball paradigm - habituating the subject to the repeated presentation of a stimulus and intermittently presenting a deviant stimulus that varies in some parametric fashion from the repeated stimulus. The fundamental premise is that if the change between the repeated and deviant stimulus is detected by the subject, it will trigger a pupil dilation response that is larger than that elicited by the repeated stimulus. This approach is demonstrated using a vocalization categorization task in guinea pigs, an animal model widely used in auditory research, including in hearing loss studies. By presenting vocalizations from one vocalization category as standard stimuli and a second category as oddball stimuli embedded in noise at various signal-to-noise ratios, it is demonstrated that the magnitude of pupil dilation in response to the oddball category varies monotonically with the signal-to-noise ratio. Growth curve analyses can then be used to characterize the time course and statistical significance of these pupil dilation responses. In this protocol, detailed procedures for acclimating guinea pigs to the setup, conducting pupillometry, and evaluating/analyzing data are described. Although this technique is demonstrated in normal-hearing guinea pigs in this protocol, the method may be used to assess the sensory effects of various forms of hearing loss within each subject. These effects may then be correlated with concurrent electrophysiological measures and post-hoc anatomical observations.

Pupillometry, a simple and non-invasive technique, is proposed as a method to determine hearing-in-noise thresholds in normal hearing animals and animal models of various auditory pathologies.

Pupilometría para evaluar la sensación auditiva en cobayas

Noise exposure is a leading cause of sensorineural hearing loss. Animal models of noise-induced hearing loss have generated mechanistic insight into the ...