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Method Article
* Estes autores contribuíram igualmente
Aprender novas associações estímulo-resposta envolve uma ampla gama de processos neurais que são em última análise, refletem na mudança de pico de saída de neurônios individuais. Aqui nós descrevemos um protocolo de comportamento que permite o registro contínuo da atividade de um único neurônio enquanto que os animais adquirem, extinguir, e readquirir uma resposta condicionada em uma única sessão experimental.
Enquanto o sujeito da aprendizagem atraiu imenso interesse dos cientistas, tanto comportamentais e neurais, apenas relativamente poucos pesquisadores observaram a atividade de um único neurônio enquanto os animais estão adquirindo uma resposta operantly condicionado, ou quando essa resposta é extinto. Mas, mesmo nestes casos, períodos de observação geralmente abrangem apenas uma única fase de aprendizagem, ou seja, aquisição ou extinção, mas não ambos (exceções incluem protocolos que empregam aprendizagem reversa; ver Bingman et al 1 para um exemplo.). No entanto, a aquisição e extinção implicam diferentes mecanismos de aprendizagem e, portanto, deverão ser acompanhados por diferentes tipos e / ou loci de plasticidade neural.
Nesse sentido, desenvolvemos um paradigma comportamental que institui três estágios de aprendizagem em uma única sessão comportamental e que é bem adequado para a gravação simultânea de potenciais de ação dos neurônios individuais. Animais umre treinados em uma tarefa de escolha forçada intervalo único que requer mapeamento cada uma das duas respostas de escolha possíveis para a apresentação de diferentes estímulos visuais inovadores (aquisição). Depois de ter atingido um critério de desempenho pré-definida, uma das duas respostas de escolha já não é reforçada (extinção). Após um certo decréscimo no nível de desempenho, respostas corretas são reforçadas novamente (reaquisição). Ao utilizar um novo conjunto de estímulos em cada sessão, os animais podem sofrer o processo de aquisição de extinção-reaquisição repetidamente. Porque todas as três fases de aprendizagem ocorrem numa única sessão de comportamento, o paradigma é ideal para a observação simultânea da saída de cravação de múltiplos neurónios individuais. Usamos pombos como sistemas modelo, mas a tarefa pode ser facilmente adaptada para outras espécies capazes de aprendizagem discriminação condicionado.
Aprender novas associações estímulo-resposta para os resultados envolve uma ampla gama de processos de plasticidade neural. Estes processos são, em última análise reflete na saída pico mudando de neurônios individuais. Indiscutivelmente, um dos paradigmas mais utilizadas de aprendizagem é o medo condicionamento pavloviano realizado com roedores. Neste cenário, a aquisição e extinção de uma resposta condicionada ocorrer dentro de algumas dezenas de ensaios 2. O desenvolvimento rápido de medo condicionado pode ser vantajoso porque permite que a execução de um grande número de animais dentro de um curto espaço de tempo. Além disso, a aquisição ea extinção pode ser observado dentro de algumas dezenas de ensaios em um único dia em animais ingênuos 3,4 ou espalhados por 2 ou 3 dias 2,5-8. No entanto, os conhecimentos adquiridos sobre as mudanças de atividade neural durante a aprendizagem nesses experimentos não se aplicam necessariamente fora do domínio do medo condicionado. Por exemplo, o comportamento alvo-dirigida impulsionado pela posiçãoreforço tiva é mais adequadamente modelada por operante em vez de procedimentos de Pavlov condicionado, e pode, em parte, dependem de diferentes substratos neurais 9,10. Além disso, o condicionamento do medo se desenvolve tão rapidamente que as respostas neurais para o CS só pode ser observado por algumas dezenas de ensaios, colocando limites severos na análise das mudanças de atividade neural durante a aprendizagem.
Infelizmente, a aquisição e extinção do responder operante normalmente leva vários dias. Isto é prejudicial para as investigações neurofisiológicos, porque é notoriamente difícil de gravar a actividade de células individuais ao longo de mais do que algumas horas. Devido à alta similaridade das formas de onda de potenciais de ação extracelular gravados, é problemático afirmar que picos registrados no primeiro dia são gerados a partir da mesma célula como picos com ondas semelhantes gravado no próximo 11,12, especialmente em áreas com alta densidade de células, tais como o hipocampo.
Para tratar dessas questões, foi desenvolvido um paradigma comportamental romance utilizando três condições de aprendizagem dentro de uma sessão experimental em um único dia. Isto requer que o animal experimental é disposto para realizar centenas de ensaios em diferentes condições de uma programação fina de reforço. Pombos-correio (Columbia livia domestica forma) são organismos modelo clássicos em psicologia experimental 13-17. Estas aves são capazes de realizar discriminações visuais complexas 18, pode se adaptar com flexibilidade às mudanças de comportamento contingências de reforçamento 19,20, e são trabalhadores exclusivamente ávidos, realizando 1.000 ensaios com uma quantidade mínima de reforço. Estas características tornam especialmente adequado para as experiências descritas abaixo.
Declaração de Ética
Todos os experimentos foram conduzidos de acordo com as diretrizes da Alemanha para o cuidado e uso de animais na ciência. Os procedimentos foram aprovados por um comitê nacional de ética do estado da Renânia do Norte-Vestfália, Alemanha.
Visão geral do sistema
Operante Testing Câmara
A câmara operante (Figura 1) mede 34 centímetros x 34 cm x 50 cm. Três chaves translúcidas de resposta (4 cm x 4 cm, localizada a aproximadamente 20 cm acima do nível do chão) são embutido na parede de trás da câmara. Os estímulos são apresentados através de uma tela plana LCD montado atrás as chaves de resposta. Duas lâmpadas de 2 watts localizados nas paredes laterais proporcionam fraca iluminação. A câmara encontra-se num cubículo atenuantes de som para mascarar sons estranhos. Altifalantes fornecer ruído branco em todos os momentos. Alimentação (grão) é fornecido por uma tremonha comida localizada abaixo da centochave er. Hardware Experimental é controlado por código MATLAB escrito sob encomenda 21. Os animais são constantemente monitorizados por meio de uma câmara digital ligado à parede frontal da câmara.
Microdrives custom-built
Microdrives abrigam 16 fios de eletrodos são construídas em nosso laboratório; o projeto é baseado no trabalho de Bilkey e colegas 22,23, eo leitor é remetido para estes artigos para uma descrição detalhada. Nós modificamos o seu projeto para permitir a um maior número de eletrodos (16 em vez de 8, 25 mM fios nicromo), e ligar os fios de eletrodo através de cola de prata condutora à tomada headstage. Além disso, usamos-regulamentação das dicas de eletrodos para reduzir a impedância e para alcançar melhores relações sinal-ruído (aplicar -3 V para ~ 3 seg; impedâncias deve cair para <100 kW).
Uma vez que o microdrive é montado, os eléctrodos são cortados com o comprimento desejado, dicas são cleaned num banho de ultra-sons (Tergazyme em água destilada) durante 20 min e lavado mais 20 minutos em água destilada. Com banho de ouro de pontas de eletrodo deve ser realizada imediatamente antes da implantação. Para o aterramento, utilizamos um eletrodo de prata bola colocada acima do cerebelo lateral. Especificação de materiais é fornecida na tabela de materiais que acompanha este artigo.
Uma questão importante quando se trabalha com animais que se movem livremente é artefatos de movimento. Descobrimos que artefatos de movimento em nossas instalações são em grande parte devido a uma alta impedância) eletrodo (> 500 kW) e b) fixação imperfeita dos contactos entre o plugue (implante) e do soquete (andar), enquanto o animal está se movendo. Uma variedade de microconnectors comercialmente disponíveis não executar satisfatoriamente para a gravação de aves movimentando-se livremente, pois o contato mecânico entre plugue e tomada deteriora-se rapidamente através de movimentos vigorosos dos pombos (cabeça balançando, chave-pecking). A melhor conexão mecânica entre o implante eo headstage foi conseguido com montagens headplug de Ginder Científica. Estes conjuntos de plug-soquete com 18 contatos e estão solidamente fixado entre si por uma porca.
Configuração de gravação eletrofisiológico
A configuração eletrofisiologia compreende os seguintes componentes: 1) um headstage custom-built com ganho unitário (amplificador operacional) 2) módulos amplificadores de 15 diferencial alojados em duas unidades de rack de montagem (DPA-2fs e EPMS-07, respectivamente; npi electronic GmbH, Alemanha ), 3) um conversor analógico-digital de conversor de 16 canais (1401 poder marca I). Sinais são amplificados primas 1.000 x e passa-banda filtrada (500-5.000 Hz, 1 º filtro de ordem), digitalizados com uma taxa de amostragem de 16-20 kHz e armazenados com Spike2 versão 7.06a para processamento offline. O horário dos eventos (tais como início do estímulo ou bicadas chave individuais do animal) são capturados através de uma caixa porta IO paralelo construído em laboratório (ver Rose, Et al 21) e encaminhado para o conversor AD de armazenamento, juntamente com os dados neurofisiológicos (ver Figura 1).. Processamento off-line é descrito mais adiante.
Visão geral do sistema Figura 1.. Fluxo de informação é simbolizado por setas coloridas. Computador 1 controla hardware referentes a saída comportamental (visualização estímulo através do monitor de tela plana, casa clara, comedouro, luz de alimentação, chaves de resposta) e envia timestamps de eventos para o conversor AD. Computador 2 armazena sinais neurofisiológicos obtidos a partir do conversor A / D e timestamps de eventos recebidos de computador 1. A fotografia da esquerda mostra a câmara de condicionamento dentro do cubículo atenuantes de som. Seus elementos são: 1) shell-atenuando Sound, 2-4) chave de respostas, 5) funil de alimentos, 6) luz alimentador 7) casa de luz, 8) câmera de observação.
Single-de intervalos da escolha forçada (SIFC) Discriminação Task
Para maior clareza, vamos descrever a tarefa final SIFC aqui e, em seguida, explicar os passos necessários para treinar animais nessa tarefa a seguir.
A tarefa SIFC está delineado na Figura 2. Após o intervalo inter (ITI) tiver decorrido, a tecla central é transiluminou verde para até 5 seg ("fase de inicialização '). Imediatamente após a terceira resposta do animal dentro de 5 segundos, de um em vários estímulos de amostra é apresentado na tecla central durante 2 segundos ("fase de amostra '; exemplo estímulos são apresentados na inserção à Figura 2). Após 2 segundos, a tecla central é novamente transiluminou verde, e se o animal tem de responder mais uma vez antes de as duas teclas laterais são transiluminou ('fase de confirmação). Dependendo da identidade do estímulo mostradona fase de amostra, o animal é necessário para dirigir uma resposta única para a esquerda ou a tecla direita ('fase escolha "). Se ele escolhe o destino correto, acesso a recompensa (grão) é concedida por 2 seg. Assim, o núcleo da tarefa consiste em responder à chave de escolha deixada após a apresentação de um estímulo particular na tecla central, e respondendo à chave escolha certa após a apresentação de um outro estímulo. A razão por que a fase de amostra é delimitada por uma inicialização e uma fase de confirmação é a de manter a cabeça dos animais em frente a tecla central, enquanto o estímulo modelo é apresentado.
Uma vez que os mestres de animais esta tarefa para um único par de estímulos (doravante, os estímulos "familiares", FS), apresenta-se com um novo estímulo (NS) par em cada nova sessão, e tem que aprender qual dos dois novos estímulos é para ser seguido por uma resposta para a esquerda ou a escolha certa chave. A dupla FS continua a ser apresentado durante ªose experimentos para servir como condição de controle adequado. Desempenho adequado na tarefa final depende de modo crucial a disposição dos animais para realizar> 1.000 ensaios em probabilidades globais de reforço <0,5. Os parágrafos seguintes descrevem um procedimento de formação em que a complexidade da tarefa é gradualmente aumentada até que o animal atinge o nível do SIFC; ao mesmo tempo, a probabilidade de reforço e do número de ensaios por sessão necessitar de ser aumentada para assegurar consistentemente elevado desempenho na tarefa final.
1. Formação Animais
Figura 2. Ilustração do paradigma comportamental. Depois de um ITI de 5 segundos, a tecla central é transiluminou verde para até 5 seg (inicialização). Se o animal responde 3x dentro destes 5 seg, 1 dos 4; Estímulo modelo é apresentado na mesma posição. Depois de um tempo de apresentação de amostra fixa de 2 segundos durante o qual o animal tem que responder pelo menos uma vez, a chave de hierarquia central é transiluminou verde novamente (confirmação). Depois de mais um beijo, as teclas laterais 2 são transiluminou verde. O sujeito indica a sua escolha, respondendo assim a uma das teclas laterais. Durante a aquisição e reaquisição, as respostas corretas são seguidas por 2 seg acesso aos alimentos acompanhada pela ativação da luz de alimentação, ou ativação de somente a luz de alimentação. Se incorreto, luzes da casa estão desligados por 3 segundos. Durante a extinção, ambas as respostas corretas e incorretas ao estímulo extinção permanecem inconseqüente. Inset mostra exemplo novas e estímulo familiarizado pares.
2. Eletrofisiologia
Métricas Figura 3. Qualidade para isolamento unidade. A) mapa de calor de valores de tempo de tensão de todos os formas de onda. B) Distribuição de (azul) valores de tensão de todas as formas de onda máximo (vermelho), mínimo (verde), e ruído. As distribuições são bem separados, indicando excelente isolamento unidade. C) taxa espontânea de queima (vermelho, calculado a partir de segmentos de 2-sec em todos os intervalos entre tentativas) e as amplitudes de pico (pico-a-pico) como uma função do tempo em sessão. Ambas as curvas foram suavizadas com uma função de vagão (largura: 50 pontos de dados) D) distribuição Interspike-interval para esta unidade.. Largura Bin, 10 ms (Detalhe: 1 ms). Intervalos muito curtos são praticamente ausente (<0,1% de intervalos inferiores a 4 milisegundos). E) psth acionado para bica-chave. Contagens de eventos perto da chave beijinho (± 20 ms) são destaque vermelho. F) Todas as 157 formas de onda gravadas dentro de ± 20 ms de eventos-chave Peck. As formas de onda mais favoráveis do que a forma de onda geral mostrado no painel A.
Comportamento
A Figura 4A mostra o desempenho comportamental de um animal em uma sessão de exemplo. O nível do desempenho animal atinge critério para NS 2 em 180 tentativas (45 apresentações de estímulo) e está perto de 100% para o NS 1 desde o início. Esta estratégia - a primeira resposta para a mesma chave tanto para novos estímulos, e, em seguida, ajustar as respostas para um dos estímulos - é quase tão freqüentemente observada como inicial aleatória responden...
Este protocolo descreve uma tarefa comportamental complexa adequada para gravações a única unidade simultâneas. Descrevemos a tarefa SIFC para pombos, mas pode ser facilmente adaptado para roedores, exigindo puxões nariz ou a pressão da alavanca, em vez de chave bica, e substituindo visual olfativo, auditivo, ou estímulos tácteis.
Talvez os passos mais críticos durante o processo de formação são: 1) redução gradual da probabilidade de recompensa e 2) aumento no número de julga...
Os autores não têm nada a revelar.
Esta pesquisa foi apoiada por doações da Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) a MCS (FOR 1581, STU 544/1-1) e OG (FOR 1581, SFB 874). O site da DFG é http://www.dfg.de/en/index.jsp. Os financiadores não tiveram nenhum papel no desenho do estudo, coleta de dados e análise, decisão de publicar ou preparação dos autores manuscript.The agradecer Thomas Seidenbecher por nos fornecer o protocolo sobre-regulamentação, bem como Tobias Otto para obter ajuda com a configuração do eletrofisiológico equipamento de gravação.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Resistance wire (for use as electrodes) | California Fine Wire, Grover Beach, CA, USA | Stablohm 675; formvar-coated nichrome wires (outer diameter 25 µm) | |
Microconnectors | Ginder Scientific, Nepean, Ontario, Canada | GS18PLG-220 (plug) & GS18SKT-220 (socket to build headstage) | |
Cannulae | Henke Sass Wolf, Tuttlingen, Germany | 0.4 x 20 mm/ 27 Gx3/4" | |
Gold solution for plating | Neuralynx, Bozeman, MT, USA | SIFCO Process Gold Non-Cyanide, Code 5355 | |
Solution for ultrasonic bath | Alconox, Inc., New York, USA | 1304 | Tergazyme |
Conductive glue | Henkel Loctite | LOCTITE 3888 Silver filled, conductive, adhesive | |
Stainless steel screws | J.I. Morris, Southbridge, MA, USA | F0CE125 self-tapping miniature screws, body length 1/8 inches | |
Light-curing dental cement | van der Ven Dental, Duisburg, Germany | Omniceram Evo Flow A2 | |
Light-curing unit | van der Ven Dental, Duisburg, Germany | Jovident Excelled 215 Curing Light (wireless LED light curing unit) | |
Filter amplifiers | npi electronic GmbH, Germany | DPA-2FS | |
A/D converter | Cambridge Electronic Design, Cambridge, UK | power 1401 | |
Spike2 software | Cambridge Electronic Design, Cambridge, UK | Version 7.06a | |
MATLAB | The Mathworks, Natick, MA, USA | R2012a |
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