JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

פיתחנו פלטפורמה אחת למעקב אחר התנהגות בעלי חיים במהלך שתי משימות למידה אסוציאטיביות תלויות סיבים מטפסים. התכנון הזול מאפשר אינטגרציה עם ניסויים אופטוגנטיים או ניסויי הדמיה המכוונים לטיפוס על פעילות המוח הקטן הקשורה לסיבים תזונתיים.

Abstract

קלטי סיבים מטפסים לתאי Purkinje מספקים אותות מאלפים החיוניים ללמידה אסוציאטיבית תלוית המוח הקטן. חקר אותות אלה בעכברים בעלי ראש קבוע מקל על השימוש בשיטות הדמיה, אלקטרופיזיולוגיות ואופטוגנטיות. כאן פותחה פלטפורמה התנהגותית בעלות נמוכה (כ-1,000 דולר) המאפשרת מעקב אחר למידה אסוציאטיבית בעכברים מקובעי ראש שמסתובבים בחופשיות על גלגל רץ. הפלטפורמה משלבת שתי פרדיגמות למידה אסוציאטיביות נפוצות: התניית מצמוץ עיניים והתניה מושהית של מבהיל מישוש מושהה. ההתנהגות נמצאת במעקב באמצעות מצלמה ותנועת הגלגלים על ידי גלאי. אנו מתארים את הרכיבים וההתקנה ומספקים פרוטוקול מפורט להדרכה ולניתוח נתונים. פלטפורמה זו מאפשרת שילוב של גירוי אופטוגנטי והדמיה פלואורסצנטית. התכנון מאפשר למחשב מארח יחיד לשלוט בפלטפורמות מרובות לאילוף בעלי חיים מרובים בו זמנית.

Introduction

התניה פבלובית של קשר תת-שני בין גירויים כדי לעורר תגובה מותנית שימשה זה מכבר כדי לחקור למידה התלויה במוח הקטן. לדוגמה, במיזוג עפעפיים קלאסי מושהה (DEC), בעלי חיים לומדים לבצע מצמוץ מגן מתוזמן היטב בתגובה לגירוי מותנה נייטרלי (CS; למשל, הבזק של אור או צליל שמיעתי) כאשר הוא מזווג שוב ושוב עם גירוי בלתי מותנה (US; למשל, נפיחות של אוויר המופעל על הקרנית) אשר תמיד מעורר מצמוץ רפלקס, ואשר מגיע בסוף ה-CS או בסמוך לו. התגובה המלומדת מכונה תגובה מותנית (CR), בעוד שתגובת הרפלקס מכונה התגובה הבלתי מותנית (UR). בארנבים, נגעים ספציפיים למוח הקטן משבשים צורה זו של למידה 1,2,3,4. יתר על כן, קוצים מורכבים של תאי Purkinje, המונעים על ידי קלט הסיבים המטפסים שלהם5, מספקים אותהכרחי של 6,7 ומספיק 8,9 לרכישת CRs מתוזמנים כראוי.

לאחרונה פותחו פרדיגמות למידה אסוציאטיביות תלויות סיבים מטפסים עבור עכברים קבועים ראש. DEC הייתה פרדיגמת הלמידה האסוציאטיבית הראשונה שהותאמה לתצורה זו10,11. DEC בעכברים קבועים ראש שימש לזיהוי אזורים במוחהקטן 11,12,13,14,15,16,17 ורכיבי מעגל11,1 2,13,14,15,18,19 הנדרשים לצורך השגת משימות והכחדתן. גישה זו שימשה גם כדי להדגים כיצד הייצוג הפיזיולוגי ברמה התאית של פרמטרי משימה מתפתח עםלמידה של 13,15,16.

בנוסף ל-eyeblink, פרדיגמת התניית המישוש המושהה (DTSC) פותחה לאחרונה כמטלת למידה אסוציאטיבית חדשנית עבור עכברים קבועים ראש20. בדומה מבחינה רעיונית ל-DEC, DTSC כולל הצגה של CS נייטרלי עם US, הקשה על הפנים בעוצמה מספקת כדי להפעיל רפלקס מבהיל 21,22 כ-UR. בפרדיגמה של DTSC, הן ה-UR והן ה-CR נקראים כתנועה לאחור על גלגל. DTSC שימש כעת כדי לחשוף כיצד למידה אסוציאטיבית משנה את פעילות המוח הקטן ואת דפוסי הביטוי של גנים20.

בעבודה זו פותחה שיטה ליישום גמיש של DEC או DTSC בפלטפורמה אחת. תכונות הגירוי והפלטפורמה עוברות מיפוי באיור 1. העיצוב משלב את היכולת לעקוב אחר התנהגות בעלי חיים באמצעות מצלמה, כמו גם מקודד סיבובי למעקב אחר תנועת עכבר על גלגל. כל ההיבטים של רישום נתונים ומבנה הניסוי נשלטים על ידי מיקרו-בקרים מזווגים (Arduino) ומחשב בעל לוח יחיד (SBC; פטל פאי). ניתן לגשת להתקנים אלה באמצעות ממשק משתמש גרפי מסופק. כאן אנו מציגים זרימת עבודה להתקנה, הכנה וביצוע של ניסויים, וצינור ניתוח מותאם אישית להדמיית נתונים.

Protocol

הפרוטוקולים של בעלי החיים המתוארים כאן אושרו על ידי הוועדות לטיפול בבעלי חיים ולשימוש בהם של אוניברסיטת פרינסטון.

1. הקמת ה-SBC

  1. חבר את כבל הממשק הטורי של המצלמה (CSI) למצלמת Raspberry NoIR V2 וליציאת המצלמה ב- SBC.
  2. הורד את מערכת ההפעלה עבור SBC למחשב המארח. כתוב את תמונת מערכת ההפעלה לכרטיס דיגיטלי מיקרו מאובטח (microSD).
    הערה: הוראות מפורטות להליכים אלה עבור Raspberry Pi SBC ניתן למצוא במקום אחר23. המערכת נבדקה באמצעות מערכות ההפעלה הבאות: סטרץ ', באסטר, בולסיי.
  3. כדי לאפשר תקשורת מעטפת מאובטחת, צור קובץ ללא סיומת בשם "ssh" במחיצת האתחול של כרטיס ה- microSD. לאחר שזה נעשה, להוציא את כרטיס microSD מהמכונה המארחת ולהכניס אותו לתוך חריץ כרטיס microSD SBC. הפעל את ה- SBC על-ידי חיבור ספק הכוח שלו.
  4. הכן את ה- SBC כדי לקבל חיבור קווי למארח.
    1. חבר צג עם כבל מתאים ל- SBC. פתח מסוף, הקלד את הפקודה ifconfig והתעד את כתובת ה- IP של ה- Ethernet של ה- SBC.
      הערה: לדגם Raspberry Pi 3B+ יש יציאת תצוגה HDMI, בעוד שלדגם 4B יש יציאת micro-HDMI.
    2. עבור אל הכרטיסיה ממשק של הגדרת התצורה Raspberry Pi והפעל את האפשרויות עבור מצלמה, פרוטוקול רשת מעטפת מאובטח (SSH) ומחשוב רשת וירטואלי (VNC).
  5. צור חיבור קווי בין המחשב המארח לבין ה- SBC.
    1. חבר כבל אתרנט ליציאת ה- Ethernet ב- SBC ובמחשב המארח. חבר את הקצה השני של כבלים אלה למתג Ethernet.
    2. השתמש בלקוח מחשוב רשת וירטואלי כגון VNC viewer24 וגש לשולחן העבודה באמצעות כתובת ה- IP של SBC ואימות ברירת המחדל (משתמש = "pi", סיסמה = "raspberry").
  6. הורד את התוכנה הנדרשת הכלולה בשלבי הפרוטוקול.
    אזהרה: שנה את שם המשתמש והסיסמה המוגדרים כברירת מחדל כדי למנוע גישה לא מורשית ל- SBC.
    1. הזן את הפקודה הבאה במסוף SBC כדי להוריד את תוכנת האסדה:
      שיבוט git --עומק =1 https://github.com/gerardjb/assocLearnRig
    2. הזן את הפקודות הבאות כדי להוריד את ספריות הפיתון הדרושות.
      cd assocLearnRig
      python3 setup.py
    3. כדי לאפשר שליטה ישירה על המיקרו-בקר, התחברו ל-SBC והורידו את סביבת הפיתוח המשולבת של המיקרו-בקר (IDE) בהתאם לשלבים 1.6.4-1.6.7.
    4. פתח את דפדפן האינטרנט בשולחן העבודה של SBC ונווט אל https://arduino.cc/en/software. הורד את הגירסה העדכנית ביותר של Linux ARM 32 סיביות של ה- IDE.
    5. פתח חלון מסוף בשולחן העבודה של SBC ונווט אל ספריית ההורדות על-ידי הקלדת הורדות תקליטורים/
    6. כדי להתקין את ה- IDE, הקלד את הפקודות הבאות במסוף:
      tar -xf arduino--linuxarm.tar.xz
      sudo mv arduino- /opt
      sudo /opt/arduino-/install.sh
      (כאן <היפוך> היא הגרסה של ה- IDE שהורדת)
    7. פתח מופע של המיקרו-בקר IDE בשולחן העבודה של SBC. בחר באפשרות תפריט כלים > ניהול ספריות. התקן את ספריית "מקודד" מאת פול סטופרג'ן.
  7. הרחב את הזיכרון המובנה של SBC באמצעות כונן אצבע מסוג USB.
    1. הכנס כונן אגודל ליציאת USB ב- SBC. השתמש ביציאת USB 3.0 אם היא זמינה.
    2. הקלד את הטרמינל ls -l /dev/disk/by-uuid/ כדי למצוא את כונן האגודל ואת הייחוס הייחודי שלו (UUID). הקלט את ה- UUID.
    3. כדי לאפשר למשתמש pi לכתוב להתקן ה- USB, הקלד את הפקודות הבאות בזו אחר זו במסוף:
      sudo mkdir /media/usb
      sudo chown -R pi:pi /media/usb
      sudo mount /dev/sda1 /media/usb -o uid=pi,gid=pi
      הערה: ניתן להוסיף את כונן האגודל כהתקן שיורכב אוטומטית כאשר ה- SBC יופעל מחדש על-ידי הוספת השורה הבאה לסוף קובץ ה- fstab ב- /etc/fstab:
      UUID= /media/usb vfat auto,nofail,noatime,users,rw,uid=pi,gid=pi 0 0

2. חומרת גירוי חיווט ובשלב ההרכבה

  1. חברו והכינו מיקרו-בקרים.
    1. חבר את ה-SBC ליציאת התכנות של המיקרו-בקר (Arduino Due) באמצעות כבל מיקרו מסוג USB2 מסוג A עד USB2.
      הערה: השתמש בכבל באיכות גבוהה כגון המוצר בטבלת החומרים כדי להבטיח פעולה תקינה.
    2. אתר את "dueAssocLearn.ino" במאגר הפרויקטים שהורדת. פתח את הסקיצה עם המיקרו-בקר IDE והעלה אותה למיקרו-בקר המחובר ל- SBC.
    3. הורד והתקן את הגירסה המתאימה של Arduino IDE במחשב המארח.
    4. חבר את המחשב המארח למיקרו-בקר (Arduino Uno) באמצעות כבל מסוג USB2 מסוג B עד USB2 מסוג A.
    5. עבור אל מאגר GitHub (https://github.com/gerardjb/assocLearnRig) והורד את הסקיצה "DTSC_US.ino" למחשב המארח.
    6. במחשב המארח, הפעל את המיקרו-בקר IDE ופתח את הסקיצה "DTSC_US.ino", ולאחר מכן העלה אותה למיקרו-בקר.
  2. חברו חוטים למיקרו-בקרים, לוח הלחם, נוריות LED, מקודד סיבובי, מנוע סטפר עם נהג ושסתום סולנואיד עם הנהג כפי שמצוין בתרשים פריצינג באיור 2.
  3. הפעל את מנוע הסטפר ואת שסתום הסולנואיד.
    1. תוחבר כראוי ערוץ אחד של ספק כוח לפיני +V ו- GND של נהג המנוע החורג.
    2. הפעל את ספק הכוח והגדר את מתח הערוץ המחובר ל- 25 V.
      הערה: אם החיבורים בין מנוע הסטפר, הנהג וספק הכוח מוגדרים כהלכה, נורית מחוון ירוקה בנהג מנוע המדרגות תופעל.
    3. תעביר כראוי את ההובלה החיובית של ספק כוח לנהג שסתום הסולנואידים להחזיק פין מתח וההובלה החיובית השנייה לפין מתח הספייק.
    4. חבר את השלילי מוביל לקרקע משותפת עם אות הבקרה.
    5. הפעל את ספק הכוח והגדר את הערוץ המחובר למתח ההחזקה לכ- 2.5 V ואת הערוץ המחובר למתח ספייק לכ- 12 V.
  4. חברו מקור אוויר המווסת ללחץ של כ-20 PSI לשסתום הסולנואיד באמצעות מתאם הלואר.
  5. בדוק שכל רכיבי הגירוי והמצלמה מתפקדים כראוי.
    1. פתח מסוף ב- SBC והקלד cd ~/assocLearnRig כדי לנווט למאגר GitHub המשובט.
    2. במסוף, הקלד python3 assocLearnRig_app.py כדי להפעיל את ממשק המשתמש הגרפי של הבקרה.
    3. הפעל את זרם המצלמה על-ידי לחיצה על לחצן זרם .
    4. בחר בלחצן רדיו DEC , העלה למיקרו-בקר והתחל הפעלה עם פרמטרים המוגדרים כברירת מחדל על-ידי לחיצה על לחצן התחל הפעלה .
      הערה: לאחר שלב זה, תדפיס של יומן הנתונים אמור להופיע במסוף, ההודעה בזרם המצלמה אמורה להיעלם, וה- LED CS והשסתום הסולנואידי US צריכים להידלק ולכבות בזמנים המתאימים במהלך כל ניסוי.
    5. לאחר סיום ההפעלה, חזור על השלבים הקודמים עם לחצן DTSC Radio שנבחר.
      הערה: ניתן להשתמש בשרטוטים במאגר GitHub ("testStepper.ino", "testRotary.ino" ו-"testSolenoid.ino") כדי לבדוק רכיבים בודדים אם השלבים לעיל אינם מספקים תוצאות משביעות רצון.
  6. הפוך את גלגל הריצה.
    1. חותכים גלגל 3 אינץ' מגלגלת קצף. קדחו חור בגודל 1/4 אינץ' במרכז הגלגל המדויק, כך שהגלגל לא יתנדנד כאשר הוא מסובב על ידי תנועת העכבר.
    2. הכנס פיר בגודל 1/4 אינץ' לתוך הגלגל וקבע אותו במקומו באמצעות רכזות הידוק הממוקמות בכל צד של הגלגל.
  7. הצמידו את המקודד הסיבובי לתעלת אלומיניום בגודל 4.5 אינץ' באמצעות בורג M3. ייצבו את תעלת האלומיניום על לוח הלחם מאלומיניום באמצעות סוגר בזווית ישרה עם בורג בגודל 1/4 אינץ', אום ומכונת כביסה כפי שמוצג.
  8. חברו את הגלגל ואת המקודד הסיבובי באמצעות שרוול צימוד פיר.
  9. ייצבו את הצד החופשי של מוט הגלגלים עם מיסב שהוכנס למהדק קצה בזווית ישרה המותקן על עמוד אופטי המותקן על לוח לחם.
    הערה: ודא שהגלגל מסתובב בחופשיות מבלי להתנדנד כאשר הוא מסתובב ביד.
  10. מקם את חומרת הגירוי, ריסון הראש, מערך האור האינפרא אדום והפיקאמרה סביב הגלגל המורכב.
    1. מקם את משענות הראש באמצעות עמודים אופטיים ומהדקי עמודים בזווית ישרה כך שעמודי הראש יהיו 1.5 ס"מ לפני סרן הגלגל ו-2 ס"מ מעל משטח הגלגל. (הערכים הם עבור עכבר של 20 גרם).
    2. מקם את שקע ה-CS LED והשסתום הסולנואידי המשמש ל-DEC US במרחק של פחות מ-1 ס"מ מהעין המשמשת ל-DEC.
    3. הרכב את מנוע הסטפר המשמש עבור DTSC US
    4. הר את הפיקמרה על עמוד אופטי ~ 10 ס"מ מהמקום בו תהיה החיה.
      הערה: העיצוב של תושבת picamera יכול להתבצע במדפסת תלת-ממד מהקובץ ב-"RaspPiCamMount1_1.stl" במאגר GitHub.
    5. מקם את מערך האור האינפרא אדום מעט מעל ופונה ישירות למיקום הפנים באותו צד כמו הפיקמרה.
    6. צרו גירוי מישושי עבור DTSC על ידי הקשת קצף לקצה של חתיכת אקריליק המותקנת על פיר בגודל 1/4 אינץ' באמצעות רכזת הידוק. חבר את גירוי המישוש לפיר המנוע החורג.
      הערה: ניתן לחתוך את העיצוב של החלק האקרילי בלייזר בעקבות התבנית ב-"TactileStimDesign.pdf" במאגר GitHub.

3. הכנה והפעלה של ניסויי התנהגות

  1. השתלת לוחית ראש של עכבר.
    1. הרדמה עכבר באמצעות 2% איזופלורן ותיקון ראש במסגרת סטריאוטקטית.
    2. החל משחה עיניים על העיניים.
    3. לגלח את הקרקפת באמצעות מי סבון ואיזמל סטרילי. להזריק לידוקאין ישירות מתחת לעור של אתר החתך ולנקות את האתר הניתוחי עם povidone.
    4. לעשות חתך עם אזמל לאורך קו האמצע של הקרקפת מהקצה האחורי של העיניים לקצה האחורי של הגולגולת, תוך זהירות לא ללחוץ חזק מדי על הגולגולת.
    5. מפזרים את החתך פתוח ומהדקים את שני הצדדים בהמוסטאטים סטריליים כדי להחזיק אותו פתוח. יש להסיר בעדינות את הפריוסטאום באמצעות צמר גפן טבול באתנול ולאפשר לפני השטח של הגולגולת החשופה להתייבש.
    6. מקם את מפלס לוחית הראש על הגולגולת, הקפד למקם את החלק הקדמי של לוחית הראש האחורית לעיניים. השתמשו בדבק ציאנואקרילט כדי לחבר את לוחית הראש לגולגולת ולאפשר לדבק להתייבש באופן מלא.
    7. מערבבים את אבקת המלט הדנטלית (כף מדידה אחת), הממס (2 טיפות) והזרז (1 טיפה) בצלחת ערבוב ומורחים על כל אזורי העצם החשופה. הוסיפו שכבות עד שהמשטח נשטף עם הקצה העליון של לוחית הראש, וודאו שהלוחית הראשית מחוברת היטב לגולגולת.
    8. לתפור את העור סגור מאחורי ומול לוחית הראש במידת הצורך.
    9. יש להזריק משכך כאבים לאחר הניתוח כגון קרפרופן בהתאם להנחיות המוסדיות תוך מתן אפשרות לבעל החיים להתאושש למשך 5 ימים לפחות.
  2. הכנה למפגשי התנהגות.
    1. אפשרו לחיות הניסוי להתרגל לרציף על ידי הרכבתן בריסון הראש במשך 30 דקות במשך 5 ימים לפני הניסויים.
      הערה: עד סוף מפגשי ההרגלה, בעלי חיים צריכים לרוץ בנוחות על ההגה.
    2. (דצמבר בלבד) לפני הפגישות, ודא ששקע שסתום הסולנואיד מרוכז בעין המטרה הממוקמת במרחק של >1 ס"מ משם.
    3. (דצמבר בלבד) הפעל באופן ידני פחזנית אוויר באמצעות לחצן הלחיצה. ודא שהעכבר מייצר מיד מצמוץ מבלי להראות סימנים גלויים של לחץ כגון אימוץ תנוחה מחובקת או אחיזת האזור הפריוקולרי הפגוע עם הפתח האיפסילטרלי.
    4. (DTSC בלבד) לפני המפגשים, יש לוודא שהגירוי המישושי מרוכז באף החיה הממוקם במרחק של כ-1.5 ס"מ.
      הערה: כאשר הפעלה התנהגותית של DTSC אינה פועלת, מנוע הצעד מומת באופן אוטומטי כדי לאפשר מיקום מחדש ידני.
    5. (DTSC בלבד) במסוף SBC, סוג python3 assocLearnRig_app.py כדי להתחיל את ממשק המשתמש הגרפי.
    6. (DTSC בלבד) הפעל הפעלת בדיקה של שלושה ניסויים עם הפרמטרים המוגדרים כברירת מחדל על-ידי לחיצה על לחצן התחל הפעלה בממשק המשתמש הגרפי.
    7. (DTSC בלבד) ודא שהנתונים הרשומים שמדפיסים במסוף מראים סטייה של יותר מ-20 אך פחות מ-100 שלבים שנרשמו על המקודד הסיבובי בעקבות ארה"ב בכל ניסוי.
      אזהרה: כדי למנוע נזק ולהפחית את הלחץ על החיה, התחילו את הגירוי רחוק יותר מבעל החיים והזיזו אותו קרוב יותר עד למילוי התנאים הנדרשים.
  3. הפעלת הפעלות התנהגותיות עם רישום נתונים.
    1. הרכיבו עכבר על משענת הראש.
    2. במסוף של SBC, סוג python3 assocLearnRig_app.py כדי להתחיל את GUI.
    3. כדי לאפשר הקלטות מצלמה במהלך הניסויים ההתנהגותיים, לחץ על לחצן זרם .
      הערה: ניתן להפעיל הפעלות ללא מצלמה. במקרה זה, נרשמים רק נתונים מהמקודד הסיבובי וחותמות הזמן להצגת גירויים.
    4. הזן מידע מזהה עבור החיה בשדה מזהה החיה ולחץ על הלחצן הגדר .
    5. בחר את ה- DEC או ה- DTSC מלחצן האפשרויות תחת הכותרת סוג הפעלה בהתאם לפרדיגמה ההתנהגותית הרצויה.
    6. הזן את פרמטרי הניסוי הרצויים לשדות שמתחת לשדה Animal ID ולחץ על לחצן העלה לארדוינו .
      הערה: פרטים על הפרמטרים של הניסוי ניתן למצוא בסעיף README של מאגר GitHub.
    7. לחץ על לחצן התחל הפעלה כדי להתחיל את ההפעלה.
    8. כאשר הפעלה מאתחלת, הנתונים יתחילו להיכנס לספרייה חדשה שנוצרה ב- "/media/usb" בנקודת ההרכבה של כונן האגודל של SBC.

4. ייצוא וניתוח נתונים

  1. כדי לייצא את כל ההפעלות המוקלטות למחשב המארח, פתח שורת פקודה והזן את הפקודה pscp -r pi@Pi_IP_address:/media/usb* host_computer_destination, ולאחר מכן אמת באמצעות סיסמת SBC.
    הערה: הפקודה לעיל מיועדת למחשב Windows. במכונות Mac ו- Linux, השתמש במסוף והחלף את "pscp" ב- "scp".
  2. התקןאת Anaconda 25 או מנהל חבילות פייתון אחר (PPM) במחשב המארח.
  3. עבור אל מאגר GitHub והורד את "analyzeSession.py", "summarizeSessions.py", "session2mp4s.py", ו"דרישותHost.txt".
  4. פתח שורת PPM והקלד התקנת conda --קובץ directory_containing_requirementsHostrequirements Host.txt כדי להבטיח שהתקנת חבילת Python כוללת את ספריות הפייתון הנדרשות.
  5. בהנחיה, הקלד תקליטור directory_containing_analyzeData כדי לנווט לספרייה המכילה "analyzeData.py" ו- "session2mp4s.py". הפעל את תוכנית הניתוח על-ידי הקלדת פייתון analyzeSession.py
    הערה: הודעת שגיאה תיווצר אם תשתמש בגרסת Python 2 כפייתון. כדי לבדוק את הגירסה, הקלד python -V בהנחיה.
  6. בחר את הספריה המכילה את הנתונים כשתתבקש. ספריות עם ספריות משנה מרובות ינותחו ברצף.
  7. עבור הפעלות DEC, עבור כל מדריך הפעלה שנותח, בחר אזור עניין (ROI) המכיל את עין העכבר מתמונה ממוצעת של ניסיון.
    הערה: קבצי נתוני ניתוח סופי וגרפים מסכמים יאוכלסו בתת-ספרייה של כל ספריית הפעלות שנותחה.
  8. הקלד python summarizeSessions.py כדי ליצור נתוני סיכום על פני הפעלות מרובות.
  9. הקלד את session2mp4s.py python ההנחיה כדי להמיר קבצי נתוני הדמיה לקבצי .mp4 הניתנים לצפייה.

תוצאות

זרימת עבודה לניסויים וניתוחים של DEC
בחירת פרמטרים ניסיונית נכונה חשובה לאימון מוצלח של התניית לינק עין (DEC). עבור הנתונים שהוצגו כאן, ממשק המשתמש הגרפי שימש לבחירת משך CS של 350 אלפיות השנייה ומשך ארה"ב של 50 אלפיות השנייה. זיווג זה גורם למרווח בין גירויים של 300 אלפיות השנייה: ארוך מספ?...

Discussion

הפלטפורמה עם הפרוטוקולים המשויכים המתוארים כאן יכולה לשמש למעקב אמין אחר התנהגות בעלי חיים בשתי משימות למידה אסוציאטיביות חושיות. כל משימה תלויה בתקשורת שלמה דרך מסלול הסיבים המטפס. בתכנון המתואר כאן, אנו משלבים אלמנטים כדי להקל על למידה ורישום / הפרעה של תגובת המוח הקטן. אלה כוללים גלגל ?...

Disclosures

למחברים אין ניגודי עניינים לחשוף.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכת על ידי מענקים מהמכונים הלאומיים לבריאות הנפש NRSA F32 MH120887-03 (ל- G.J.B.) ו- R01 NS045193 ו- R01 MH115750 (ל- S.S-H.W.). אנו מודים לד"ר באס קוקקוק והנק-יאן בולה על דיונים מועילים לאופטימיזציה של הגדרת ה- DEC ולד"ר יו וואנג ושיאואינג צ'ן על דיונים מועילים לאופטימיזציה של הגדרת ה- DTSC.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
"B" Quick Base For C&B METABOND - 10 mL bottleParkellS398Dental cement solvent
"C" Universal TBB Catalyst - 0.7 mLParkellS371Catalyst
#8 WashersThorlabsW8S038Washers
0.250" (1/4") x 8.00" Stainless Steel Precision ShaftingServocity6341721/4" shaft
0.250” (0.770") Clamping HubServocity545588Clamping hub
1/4" to 6 mm Set Screw Shaft Coupler- 5 packActobotics625106Shaft-coupling sleeve
1/4"-20 Cap Screws, 3/4" LongThorlabsSH25S0751/4" bolt
100 pcs 5 mm 395–400 nm UV Ultraviolet LED Light Emitting Diode Clear Round Lens 29 mm Long Lead (DC 3V) LEDs Lights +100 pcs ResistorsEDGELEC‎ED_YT05_U_100PcsCS LEDs
2 m Micro HDMI to DVI-D Cable - M/M - 2 m Micro HDMI to DVI Cable - 19 pin HDMI (D) Male to DVI-D Male - 1920 x 1200 VideoStar-tech‎HDDDVIMM2MRaspberry Pi4B to monitor cable
256 GB Ultra Fit USB 3.1 Flash DriveSanDisk‎SDCZ430-256G-G46USB thumb drive
3.3 V–5 V 4 Channels Logic Level Converter Bi-Directional Shifter ModuleAmazonB00ZC6B8VMLogic level shifter
32 GB 95 MB/s (U1) microSDHC EVO Select Memory CardSamsung‎MB-ME32GA/AMmicroSD card
4.50" Aluminum ChannelServocity5854444.5" aluminum channel
48-LED CCTV Ir Infrared Night Vision IlluminatorTowallmarkSODIALInfrared light array
4PCS Breadboards Kit Include 2PCS 830 Point 2PCS 400 Point Solderless Breadboards for Proto Shield Distribution Connecting BlocksREXQualisB07DL13RZHBreadboard
5 Port Gigabit Unmanaged Ethernet Network SwitchTP-Link‎TL-SG105Ethernet switch
5 V 2.5 A Raspberry Pi 3 B+ Power Supply/AdapterCanakit‎DCAR-RSP-2A5Power supply for Raspberry Pi 3B+
5-0 ETHILON BLACK 1 x 18" C-3Ethicon668GSutures
6 mm Shaft Encoder 2000 PPR Pushpull Line Driver Universal Output Line Driver Output 5-26 V dc SupplyCalt B01EWER68IRotary encoder
Ø1/2" Optical Post, SS, 8-32 Setscrew, 1/4"-20 Tap, L = 1", 5 PackThorlabsTR1-P5Optical posts
Ø1/2" Optical Post, SS, 8-32 Setscrew, 1/4"-20 Tap, L = 2", 5 PackThorlabsTR2-P5Optical posts
Ø1/2" Optical Post, SS, 8-32 Setscrew, 1/4"-20 Tap, L = 4", 5 PackThorlabsTR4-P5Optical posts
Ø1/2" Optical Post, SS, 8-32 Setscrew, 1/4"-20 Tap, L = 6", 5 PackThorlabsTR6-P5Optical posts
Ø1/2" Post Holder, Spring-Loaded Hex-Locking Thumbscrew, L = 2"ThorlabsPH2Optical post holder
Adapter-062-M X LUER LOCK-FThe Lee Co.TMRA3201950ZSolenoid valve luer adapter
Aeromat Foam Roller Size: 36" LengthAeromatB002H3CMUEFoam roller
Aluminum Breadboard 10" x 12" x 1/2", 1/4"-20 TapsThorlabsMB1012Aluminum breadboard
Amazon Basics HDMI to DVI Adapter Cable, Black, 6 Feet, 1-PackAmazonHL-007347Raspberry Pi3B+ to monitor cable
Arduino  Uno R3ArduinoA000066Arduino Uno (microcontroller board)
Arduino DueArduino‎A000062Arduino Due (microcontroller board)
Bench Power Supply, Single, Adjustable, 3 Output, 0 V, 24 V, 0 A, 2 ATenma72-8335APower supply
Clear Scratch- and UV-Resistant Cast Acrylic Sheet, 12" x 24" x 1/8"McMaster Carr8560K257Acrylic sheet
CNC Stepper Motor Driver 1.0–4.2 A 20–50 V DC 1/128 Micro-Step Resolutions for Nema 17 and 23 Stepper MotorStepper OnlineB06Y5VPSFNStepper motor driver
Compact Compressed Air Regulator, Inline Relieving, Brass Housing, 1/4 NPTMcMaster Carr6763K13Air source regulator
Cotton SwabPuritan806-WCCotton swab
Dell 1908FP 19" Flat Panel Monitor - 1908FPCDell1908FPCComputer monitor
Flex Cable for Raspberry Pi CameraAdafruit2144camera serial interface cable
High Torque Nema 17 Bipolar Stepper Motor 92 oz·in/65 N·cm 2.1 A Extruder MotorStepper Online17HS24-2104SStepper motor
IsofluraneHenry Schein66794001725Isoflurane
Krazy Maximum Bond Permanent Glue, 0.18 oz.Krazy GlueKG483Cyanoacrylate glue
Lidocaine HClVetOne510212Lidocaine
Low-Strength Steel Hex Nut, Grade 2, Zinc-Plated, 1/4"-20 Thread SizeMcMaster Carr90473A029Nuts
M3 x 50 mm Partially Threaded Hex Key Socket Cap Head Screws 10 pcsUxcellA16040100ux1380M3 bolt
NEMA 17 Stepper Motor MountACTOBOTICS555152Stepper motor mount
Official Raspberry Pi Power Supply 5.1 V 3 A with USB C - 1.5 m longAdafruit4298Power supply for Raspberry Pi 4B
Optixcare Dog & Cat Eye Lube Lubricating Gel, 0.70-oz tubeOptixcare142422Opthalimic ointment
Precision Stainless Steel Ball Bearing, Shielded, Trade No. R188-2Z, 13000 rpm Maximum SpeedMcMaster-Carr3759T57Bearing
Premium Female/Female Jumper Wires - 40 x 6"Adafruit266Wires
Premium Female/Male 'Extension' Jumper Wires - 40 x 6" (150 mm)Adafruit826Wires
Premium Male/Male Jumper Wires - 40 x 6"Adafruit758Wires
Radiopaque L-Powder for C&B METABOND - 5 gParkellS396Dental cement powder
Raspberry Pi (3B+ or 4B)Adafruit3775 or 4295Raspberry Pi
Raspberry Pi NoIR Camera Module V2 - 8MP 1080P30Raspberry Pi FoundationRPI3-NOIR-V2Raspberry NoIR V2 camera
Right-Angle Bracket, 1/4" (M6) Counterbored Slot, 8-32 TapsThorlabsAB90ERight-angle bracket
Right-Angle Clamp for Ø1/2" Posts, 3/16" HexThorlabsRA90Right-angle optical post clamp
Right-Angle End Clamp for Ø1/2" Posts, 1/4"-20 Stud and 3/16" HexThorlabsRA180Right-angle end clamp
RJ45 Cat-6 Ethernet Patch Internet CableAmazon‎CAT6-7FT-5P-BLUEEthernet cable
Rotating Clamp for Ø1/2" Posts, 360° Continuously Adjustable, 3/16" HexThorlabsSWCRotating optical post clamps
Spike & Hold Driver-0.1 TO 5 MSThe Lee Co.IECX0501350ASolenoid valve driver
Swivel Base AdapterThorlabsUPHAPost holder adapter
USB 2.0 A-Male to Micro B Cable, 6 feetAmazon‎7T9MV4USB2 type A to USB2 micro cable
USB 2.0 Printer Cable - A-Male to B-Male, 6 Feet (1.8 m)AmazonB072L34SZSUSB2 type B to USB2 type A cable
VHS-M/SP-12 VThe Lee Co.INKX0514900ASolenoid valve
Zinc-Plated Steel 1/4" washer, OD 1.000"McMaster Carr91090A108Washers

References

  1. McCormick, D. A., Lavond, D. G., Clark, G. A., Kettner, R. E., Rising, C. E., Thompson, R. F. The engram found? Role of the cerebellum in classical conditioning of nictitating membrane and eyelid responses. Bulletin of the Psychonomic Society. 18 (3), 103-105 (1981).
  2. McCormick, D. A., Clark, G. A., Lavond, D. G., Thompson, R. F. Initial localization of the memory trace for a basic form of learning. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 79 (8), 2731-2735 (1982).
  3. McCormick, D. A., Thompson, R. F. Cerebellum: essential involvement in the classically conditioned eyelid response. Science. 223 (4633), 296-299 (1984).
  4. Krupa, D. J., Thompson, J. K., Thompson, R. F. Localization of a memory trace in the mammalian brain. Science. 260 (5110), 989-991 (1993).
  5. Llinás, R., Sugimori, M. Electrophysiological properties of in vitro Purkinje cell dendrites in mammalian cerebellar slices. The Journal of Physiology. 305, 197-213 (1980).
  6. Mintz, M., Lavond, D. G., Zhang, A. A., Yun, Y., Thompson, R. F. Unilateral inferior olive NMDA lesion leads to unilateral deficit in acquisition and retention of eyelid classical conditioning. Behavioral and Neural Biology. 61 (3), 218-224 (1994).
  7. Welsh, J. P., Harvey, J. A. Cerebellar lesions and the nictitating membrane reflex: performance deficits of the conditioned and unconditioned response. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 9 (1), 299-311 (1989).
  8. Mauk, M. D., Steinmetz, J. E., Thompson, R. F. Classical conditioning using stimulation of the inferior olive as the unconditioned stimulus. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 83 (14), 5349-5353 (1986).
  9. Steinmetz, J. E., Lavond, D. G., Thompson, R. F. Classical conditioning in rabbits using pontine nucleus stimulation as a conditioned stimulus and inferior olive stimulation as an unconditioned stimulus. Synapse. 3 (3), 225-233 (1989).
  10. Chettih, S. N., McDougle, S. D., Ruffolo, L. I., Medina, J. F. Adaptive timing of motor output in the mouse: The role of movement oscillations in eyelid conditioning. Frontiers in Integrative Neuroscience. 5, 72 (2011).
  11. Heiney, S. A., Wohl, M. P., Chettih, S. N., Ruffolo, L. I., Medina, J. F. Cerebellar-dependent expression of motor learning during eyeblink conditioning in head-fixed mice. The Journal of Neuroscience. 34 (45), 14845-14853 (2014).
  12. Heiney, S. A., Kim, J., Augustine, G. J., Medina, J. F. Precise control of movement kinematics by optogenetic inhibition of purkinje cell activity. Journal of Neuroscience. 34 (6), 2321-2330 (2014).
  13. Ten Brinke, M. M., et al. Evolving models of pavlovian conditioning: Cerebellar cortical dynamics in awake behaving mice. Cell Reports. 13 (9), 1977-1988 (2015).
  14. Gao, Z., et al. Excitatory cerebellar nucleocortical circuit provides internal amplification during associative conditioning. Neuron. 89 (3), 645-657 (2016).
  15. Giovannucci, A., et al. Cerebellar granule cells acquire a widespread predictive feedback signal during motor learning. Nature Neuroscience. 20 (5), 727-734 (2017).
  16. Ten Brinke, M. M., et al. Dynamic modulation of activity in cerebellar nuclei neurons during pavlovian eyeblink conditioning in mice. eLife. 6, 28132 (2017).
  17. Wang, X., Yu, S., Ren, Z., De Zeeuw, C. I., Gao, Z. A FN-MdV pathway and its role in cerebellar multimodular control of sensorimotor behavior. Nature Communications. 11 (1), 6050 (2020).
  18. Albergaria, C., Silva, N. T., Pritchett, D. L., Carey, M. R. Locomotor activity modulates associative learning in mouse cerebellum. Nature Neuroscience. 21 (5), 725-735 (2018).
  19. Kim, O. A., Ohmae, S., Medina, J. F. A cerebello-olivary signal for negative prediction error is sufficient to cause extinction of associative motor learning. Nature Neuroscience. 23 (12), 1550-1554 (2020).
  20. Yamada, T., et al. Sensory experience remodels genome architecture in neural circuit to drive motor learning. Nature. 569 (7758), 708-713 (2019).
  21. Horlington, M. Startle response circadian rhythm in rats: lack of correlation with motor activity. Physiology & Behavior. 5 (1), 49-53 (1970).
  22. Yeomans, J. S., Li, L., Scott, B. W., Frankland, P. W. Tactile, acoustic and vestibular systems sum to elicit the startle reflex. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 26 (1), 1-11 (2002).
  23. . Raspberry Pi Operating system images Available from: https://www.raspberrypi.com/software/operationg-systems/ (2021)
  24. . VNC Server. VNC® Connect Available from: https://www.realvnc.com/en/connect/download/vnc/ (2021)
  25. . Anaconda: The world's most popular data science platform Available from: https://xddebuganaconda.xdlab.co/ (2021)
  26. De Zeeuw, C. I., Ten Brinke, M. M. Motor learning and the cerebellum. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 7 (9), 021683 (2015).
  27. Badura, A., et al. Normal cognitive and social development require posterior cerebellar activity. eLife. 7, 36401 (2018).
  28. Koekkoek, S. K. E., Den Ouden, W. L., Perry, G., Highstein, S. M., De Zeeuw, C. I. Monitoring kinetic and frequency-domain properties of eyelid responses in mice with magnetic distance measurement technique. Journal of Neurophysiology. 88 (4), 2124-2133 (2002).
  29. Kloth, A. D., et al. Cerebellar associative sensory learning defects in five mouse autism models. eLife. 4, 06085 (2015).
  30. Boele, H. -. J., Koekkoek, S. K. E., De Zeeuw, C. I. Cerebellar and extracerebellar involvement in mouse eyeblink conditioning: the ACDC model. Frontiers in Cellular Neuroscience. 3, (2010).
  31. Lin, C., Disterhoft, J., Weiss, C. Whisker-signaled eyeblink classical conditioning in head-fixed Mice. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (109), e53310 (2016).
  32. Pereira, T. D., et al. Fast animal pose estimation using deep neural networks. Nature Methods. 16 (1), 117-125 (2019).
  33. Mathis, A., et al. DeepLabCut: markerless pose estimation of user-defined body parts with deep learning. Nature Neuroscience. 21 (9), 1281-1289 (2018).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

179

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved