Multi-bilişsel işlevler Test ve Kemirgenler Nöronal Etkinlikler kayıt için Tam Otomatik ve Çok Yönlü Sistemi

Sisteme Genel Bakış Sistemi üç ana bileşenden oluşmaktadır:; (2) çoklu kanal elektrofizyolojik kayıt sistemi (Neuralynx, Bozeman); (1) çift duvarlı ses geçirmez oda (Endüstriyel Akustik Firma, Bronx, New York) ve (3) Med Associates Inc (St Albans, VT) ile tam otomatik, özelleştirilmiş davranışsal test sistemi. Şekil 1A 'de gösterildiği gibi, edimsel odasının bir ses geçirmez oda içinde yer almaktadır. Headstage gelen elektrofizyolojik kayıt sistemi (Figure1A-a) kablo bağlamak için bir komütatör (Model SL-36, Dragonfly Araştırma ve Geliştirme A.Ş., Ridgeley, West Virginia), ve hayvan davranışlarını izlemek ve kaydetmek için bir video kamera üzerine monte edilir edimsel haznesi (Figure1A-b). Özel tasarlanmış Edimsel Odası Özel tasarlanmış, akustik şeffaf operant haznesi (Figure1A-d), üç akustik olarak transparan duvarlar ve bir modüler-çalışma paneli (Şekil 1B) oluşur. Üç hoparlörler (Tweeter Cage, ENV_224BM, Med Associates) orta üst monte ve iki yan paneller yayan işitsel ipuçları için kullanılır. İşitsel ipuçları kalibre edilmiş, programlanabilir ses jeneratörü (ANL-926) tarafından oluşturulur. Bir uyarı ışığı (ENV_221M) ve iki adet üçlü uyaran LED ekranlar (ENV_222M) sırasıyla, orta ve yan paneller bulunmaktadır. Bu uyaran ışık işitsel-görsel çoklu-duyu davranış testleri için de kullanılabilir. Üç renkli LED ışıklar (ENV_114M) ile burun açıkta cihaz orta panelinin alt kısmına monte edilir. Burun açıkta birim içinde yüklü bir kızılötesi dedektör burun alay ve elde tutma süresi sinyal kullanılır. Burun gedikler birim içinde LED ışıklar delik içinde eğitimi burun-tutma için kullanılabilir. Bir hareketli yanıt kolu (ENV_112CM) edimsel panelinin her tarafına monte edilir. Mobilitbu kolların y etkili bir başlangıç ​​görevi eğitim ve beyin (bakınız aşağısı) birçok önemli kognitif işlevleri çalışma her ikisi için de kullanılabilir kolları, varlığı esnek kontrolünü sağlar. Dört kanal IR kontrol (ENV_253) tarafından kontrol kızılötesi ışın kaynağı ve dedektörleri (EVN_253SD) dört çift iki hayvanın pozisyonları göstermesi ve bir hayvanın konumuna bağlı diğer cihazları kontrol etmek için oda tabanına yerleştirilir (Şekil 1A- e). İki pelet dağıtıcılar, her bir dahili kızılötesi sentry (ENV_203M-45IR) pelet kapları (Şekil 1A-c) içine ödülleri dağıtılması için kullanılır. Kızılötesi sentry pelet dağıtıcının yetmezliği izlenmesi ve uyarı sinyali sağlamak için kullanılır. Sistem Yapılandırması Sistem bağlantıları ve donanım bileşenlerinin genel görünüşü Şekil 2 'de gösterilmiştir. Fonksiyonel olarak, iki paralel, interaktif vardıralt-sistemleri: davranış eğitimi ve elektrofizyolojik kayıt için diğer içindir. Iki alt-sistemleri MED-IV PC Yazılım platformu (SOF-735) aracılığıyla senkronize. Bilgisayar, sinir kayıt sistemine davranışsal cihazlar ve TTL darbe (sinyal Şekil 2'de kırmızı oklarla gösterilen akımları) komutlar gönderir ve hayvanın tepkileri ve sinirsel faaliyetleri (sinyal sırasıyla, yeşil ve mavi oklarla gösterilen akımları tarafından üretilen sinyalleri alır Şekil 2). Bunlar paralel, interaktif sistemler senkronize nöronal / davranışsal veri kayıtları etkinleştirmek ve nöral aktivitenin, ya da tam tersi dayalı hayvan davranışlarını değiştirilmesine izin verir. Davranış eğitimi alt sistem bir SmartCtrl Bağlantı Paneli (SG-716B) iki yönlü bir iletişim paneli olarak görev yapar: yani davranışsal cihazlar (kırmızı kutu içinde listelenen) bilgisayardan (Şekil 2'de kırmızı ok) kontrol sinyalleri göndererek, ve transmit hayvanın tepkisi sinyalleri (Şekil 2'de yeşil ok) bilgisayara geri. Dört kanal IR kontrol (ENV_253) çıktıları da bağlantı panelinin içine yönlendirilir. Bir arabirim kartı (SmartCtrl arabirim kartı, DIG-716B) ve decode kartı (DIG-700F) bilgisayarda yüklü bir PCI kart için bağlantı paneli (DIG-704PCI) gelen sinyalleri iletişim. Işitsel ipuçları da çözecektir kartı ile MED-PC IV Yazılım (DIG-700F) tarafından kontrol edilir Stimulus Jeneratör (ANL-926) tarafından oluşturulur. Şekil 2 de gösterildiği gibi, her bir arayüz kartları Masa üstü Interface Cabinet (SG-6080D) barındırılan. Bu kabine, tüm davranış cihazlar için güç sağlar. Bilgisayar tarafından alınan Elektrofizyolojik kayıt alt sistemi Hayvanlar 'yanıtı sinyalleri anında SuperPort TTL kartı (DIG-726) ve Cheetah Digital Interface Box (N üzerinden sinir kayıt sistemine gönderilireuralynx, Bozeman) (Şekil 2). Bu davranış, olayları zaman damgası ve sinirsel faaliyetleri ile eş zamanlı olarak kaydedilir. Sinir sivri Neuralynx kayıt sistemi online hayvanın davranışı manipüle ya müdahale için davranışsal kontrol alt-sistemine giriş sinyalleri olarak kullanılabilir algılanır. Tersine, hayvanın tepkisi sinyalleri elektrikli veya optogenetic stimülasyonu teknikleri ile bir araya geldiğinde nöronal aktiviteleri manipüle ya müdahale için tetikleyiciler olarak kullanılabilir. Bu yaklaşımlar, nöron faaliyetleri ve davranışlar arasında nedensel ortaya çıkması için değerli olacaktır. Programlama ve davranışsal kontrol programları veri işleme Trans IV yazılım (Thomas A. Tatham ve MED Associates) ile yazılmış ve Pascal derleyicisi ile derlenir. Her eğitim adımın Otomasyon MED-PC IV Yazılım içine Trans IV programı yükleyerek gerçekleştirilir. Eğitim parametreleri de eğitmenler tarafından w çevrimiçi ayarlanabilirMED-IV PC Software çalıştıran hile. Trans IV kodları sistem kurulum ve davranışsal bir görev hem de belirli olması gerekir. Standart eğitim programları, ancak serbestçe MED Associates edinilebilir ve bireysel laboratuar özel ihtiyaçlarını karşılamak için değiştirilebilir edilir. Bizim kurulumları kullanılan eğitim programları da istek üzerine serbestçe kullanılabilir. Davranış veri MED-PC IV Yazılım tarafından otomatik kaydedilir. Kaydedilen verileri Excel programı için MED-PC (MPC2XL, Thomas A. Tatham ve MED Associates) kullanarak Microsoft Excel dosyaları tercüme edilebilir. Translated Excel dosyaları daha sonra ithal ve MATLAB ortamında (MathWorks, Natick, MA) analiz edilebilir. Cheetah yazılım (Cheetah 5, Neuralynx, Bozeman) ile kaydedildi davranışsal olay damgaları ile birlikte nöral verileri de analiz için MATLAB alınabilir. Eğitim Bu sistemin nasıl çalıştığını göstermek için, burada bir tarifBir sıçan sıklığı ayrımcılık eşik incelemek için dizayn İki Alternatif Seçim Pitch Ayrımcılık Görev,. Görevi şematik bir resmidir Şekil 3 'de gösterilmiştir. 1. Öncesi Eğitim Naif yetişkin erkek, Sprague-Dawley, sıçan, yaş ~ 60 gün ile başlayın. Hayvanın ağırlığı başlangıç ​​reklamı libidum ağırlığının ~% 90 kadar eğitim önce, gıda alımını sınırlandırın. 2. Kafes aklimasyonu Aklimasyonu için oda hazırlamak için kolları geri çekin ve burun açıkta cihazı aktive hayvan önlemek için lastik tıpa (60 cc şırınga pistonu yapılan) ile burun açıkta deliği bloke eder. Yeri ~ Her pelet priz (gıda bardağı) 20 tam beslenme pelet (45 mg, Ürün # F0021, BioServ, Frenchtown, NJ). Aklimasyonu için odasında naif bir hayvan yerleştirin. Sıçan yakında gıda kapları keşfetmek ve pelet yemeye başlayacaktır. <li> hem mama kabı boş olduğunda, her bir tepsiye tek pelet dağıtmak için yazılım kontrolü kullanın. Bunu yaparken, sıçan fincan gıda ilişkilendirmek öğreneceksiniz. Her yiyecek kabına rastgele peleti tarafından odasının her iki tarafında taşımak için fare zorlayın. Bir 30 dakikalık seans gıda fincan dernek kurmak için genellikle yeterlidir. Taban ~% 90 sabit bir seviyede kendi vücut ağırlığını korumak için yeterli 300 pelet, – biri 30 dakikalık oturumda, sıçan genelde 200 alır. 3. Kol-itme Eğitim Yeni bir oturumda, odasına iki kolu uzatmak ve gıda bardak boş bırakın. Sonra, odasına bir alıştırılanlarda sıçan yerleştirin. Hayvan bir kolu çevresinde girdiğinde, Med-IV PC yazılımı aracılığıyla elle pelet akıtın. Sıçan gibi, koklama dokunmadan veya tırmanma gibi kolu ilgi gösterir, zaman da ödülleri sağlar. Bir kaza sonucu kolu itme de bir ödül autom tetiklemesi gerekiratically program tarafından. Itme kolu teşvik etmek ve iki kolu keşfi zorlamak için, hayvanın her bir kolu kez üst üste sınırlı sayıda itmek için izin vermek için. Sınıra ulaşıldığında, kolu geri çekin. Iki kolu retrakte sonra, işlemi tekrarlamanız onları uzatmak. Yavaş yavaş kolunu geri çeker kadar itilir her zaman sınırı azaltın. Gıda ödül derneği – Bir iki 30 dakikalık seanslar itme kolu kurulması için çoğu zaman yeterli olur. 4. Burun-siperli Eğitim Yeni bir oturumda, kollarını geri ve burun açıkta gelen lastik tıpa kaldırın. Burun açıkta cihaz keşfetmek sıçan ilgisini teşvik etmek için burun açıkta içinde birkaç granül yerleştirin. Haznesine hayvan reintroduce. Rat gıda pelet burun açıkta delik bayılmadım rastgele iki Kollardan birini uzatın. Uzun kolu görünce, sıçan yaklaşım ve bir gıda pel elde etmek için kolunu itecektirizin verin. Kolu basılır ve ödül dağıtılan sonra, burun dürtüklemek cihazı keşfetmek için sıçan teşvik için kolu geri çekin. Genellikle görev sırası öğrenmek için 20 ila 30 dakika sürer: Burun açıkta → Kol uzatması → Kol itme → Ödüller. 5.. Cue Eğitim Yeni bir oturumda, kısa bir gecikme (100 ile 250 ms) ile burun açıkta olayın ardından işitsel ipuçları oynarlar. Her işitsel cue sunumdan sonra sağ ve sol kolları kısa bir süre (100 ms) hem de uzatın. Bu işaret, işitsel ile gösterilir kolu iter sadece sıçan ödüllendiriyoruz. Hayvan yavaş yavaş bir kolu ile belirli bir işitsel işaret ilişkilendirmek öğreneceksiniz. Burun-siperli → Cue → Kol itme → Ödül / Hayır Ödül (Şekil 3): Hayvan daha sonra sırası ile yeni bir deneme başlayacak serbesttir. Ilk öğrenme oturumlarında Çünkü yüksek hata oranının, ek food her antrenmandan sonra vücut ağırlığının korunmasına verilmelidir. Tutarlı bir performans seviyesi (tipik bir öğrenme eğrisi Şekil 3A bakınız) ulaşıncaya kadar önümüzdeki birkaç 30 dakikalık seansta, sıçan uygulama yeni öğrendiğiniz görevi sağlar. Görevi hakim sonra, bir sıçan yaklaşık 200 edinebilirsiniz – kendi vücut ağırlığını korumak için yeterli, her 30 dakikalık seansta 300 pelletleri. 6. Temsilcisi Sonuçlar Yukarıda protokolü takiben, eğitilmiş fareler saf ses darbe, iki farklı desen tanımak için ya aynı frekans (F, F, E, F, F) veya farklı frekanslarda (F, F-mesafe kadar taşınmış olan altı tonu tırtıl oluşan trenler , F, F-mesafe kadar taşınmış, F, F-mesafe kadar taşınmış) 1-5. Her bir ton pip süresi 200 ms ve sesi pip aralığı 400 ms. Bu çalışmada, F 10 kHz olarak kuruldu ve mesafe kadar taşınmış 1 F% 50 (Şekil 3, üst) arasında değişmekteydi. Tipik olarak, mesafe kadar taşınmış kuruldueğitimi sırasında nispeten büyük değer: 5 kHz, 4 kHz, 3 kHz, 2 kHz ve 1 kHz, eğitimi kolaylaştırmak için. Farklı mesafe kadar taşınmış değerleri ile saf ses darbe belirli bir oturumda rastgele sunuldu. İki Alternatif seçimi Aralığı ayırımını Şekil 3 'de gösterilmiştir. Sıçanlar bir deneme başlatmak için burun deliği (Şekil 1B ve Şekil 3, alt) içine karışmak üzere eğitildik. Burun açıkta işitsel ipuçları yayın tetikler. Ipuçları tanınması üzerine, sıçan, odasının doğru tarafa koşun kolu yaklaşım, odasına uzatmak için kolu için bekleyin ve daha sonra belirli bir zaman penceresi (kolu aktif sürede kolunu iterek 1 ila 2 gerekir bir ödül (Şekil 3) elde etmek saniye). Isabet oranı her mesafe kadar taşınmış değeri için toplam deneme sayısı bölü isabet deneme sayısı her mesafe kadar taşınmış değeri hesaplandı. % 75 bir ölçütütercike sıçan görevi öğrenmişti olduğunu belirtmek için kullanılmıştır. Bir sıçan tipik bir öğrenme eğrisi Şekil 4A sunulmuştur. Her renkli çizgi farklı mesafe kadar taşınmış (ΔF0 sürekli darbe gösterir) her darbe için öğrenme ilerleme gösteriyor. Ortalama,% 75 isabet oranı kriterine ulaşmak için eğitim yaklaşık yedi seans (işitsel işaret sunum, Adım 5 Cue Eğitim ilk oturumunda başlayarak) aldı. Bu sistem ayrıca deneyciler tarafından tasarlanan görevini yerine hayvan davranışlarını niceliksel karakterizasyonu sağlar. Yaygın hayvan davranışsal çalışmalarda kullanılan üç ölçümleri Şekil 4 'de gösterilmiştir B – D reaksiyon süresi, esas olarak görev bir hayvanın dikkat yansıtan, işitsel ve işaret kolu itme başlangıç ​​arasındaki zaman geçtikten olarak ölçüldü.. Hayvan her deneme başlatılan hangi bir hayvan bir görev için ne kadar kararlı yansıtan arası deneme aralığını,ve yanlış davasında zaman aşımı ile cezalandırılır değildi, Şekil 4C olarak çizilmiştir. Bir hayvanın genel performansı dinamik desenleri temsil eden ve iyileştirme / tek bir oturum içinde oluşabilir adaptasyonunu yansıtan bir oturumda performans zamansal değişimi, Şekil 4D çizildi. Her seans erken, orta ve geç evre (evre başına 10 dakika) ayrıldı. Her aşamada ödülleri birikmiş numaraları bu ölçümü kullanılmıştır. Birkaç bilişsel davranışları (Şekil 5A ve Tartışma bakın) nöral temelini de bir görevi gerçekleştirirken hayvanların sinirsel aktiviteleri kaydederek bu sistem ile ele alınabilir. Çekirdeği basalis (NB) ve bir sıçan beyin ventral tegmental alan (VTA) eş zamanlı olarak kaydedildi sinirsel etkinlik örnekleri Şekil 5B ve C 'de gösterilmiştir. Nöronların pişirimlerini deneme her bir olay (ilişkilendirmek zaman damgalıdır gibi burun-dürter,itme kolu, işitsel işaret sunum ve tanıma ve gerçek ödül alma) ve bu davranışsal görev olaylar ile ilgili olarak analiz edilmiştir. Bu sistem ile birlikte davranışsal ve nöral aktivitenin kayıt Sonuçlar bilişsel davranışları çeşitli nöral temelini durulaştırmada verimli olacaktır. Şekil 1. Sisteminin ana bileşen (A) ve ısmarlama işitsel edimsel haznesi (B). A. edimsel odasının bir şematik çizimidir, bir çift çeperli bir ses geçirmez oda içinde yer alır. Yankısız köpük takozlar ses dağıtan ve saptırma ortadan kaldırmak için odanın duvarları boyunca monte edilir: a. Nöronal aktivite kayıt sistemine teller yönlendirme için Komütatör b: hayvan davranışını izleme ve kayıt için video kamera, c: Pelet dağıtıcılar; d: Edimsel odası . e:Kızılötesi alıcılar. Edimsel haznesi üç akustik şeffaf duvarlar ve bir modüler operasyon paneli içermektedir B.. Ayrıntılı açıklamalar için Metin bakın. Şekil 2 sisteminin. Şematik inceleme. Davranışsal eğitim ve sinirsel aktivite kayıt sistemi: Bu sistem iki alt sistemlerinden oluşmaktadır. Iki alt interaktif TTL darbe (detaylar için Sistem Yapılandırma) aracılığıyla birbirleriyle iletişim kurarlar. Kırmızı oklar komutları ve / veya bilgisayardan gönderilen davranışsal olayları temsil eder; yeşil okları bilgisayara geri besleme hayvan yanıt sinyallerini göstermek ve mavi ok Neuralynx kayıt sistemi ile online nöral başak olayların sinyal girişleri tespit temsil eder. Şekil 3. İki Alternatif ChOICE Frekans Ayrımcılık Görev. Top, temel görev sırasını gösteren blok diyagramı. ana davranışsal eylemler Alt, şematik olarak gösterilmesi. Yeşil oklar görevin sıralı akış gösterir. Şekil 4. İki alternatif Seçim Frekans Ayrımcılık Görev Temsilcisi sonuçları A. Öğrenme eğrileri:.. Her renkli çizgi her frekans değişimi (ΔFs) ayrım bir sıçan öğrenme ilerlemeyi temsil ediyor. Koyu renkli bir çizgi frekans değişimleri için ortalama öğrenme eğrisi temsil eder. Reaksiyon zamanı B. Dağıtım kolu itme için işaret başlangıcından zaman tur olarak ölçüldü. Arası deneme aralığını C. Dağılımı. Ölçülen bir oturum içinde performans D. zamansal dinamiği Bir oturumun erken, orta ve geç dönemde elde edilen birikmiş ödülleri ile. AB veri ll – D sıçan performansını% 75 isabet oranı üzerinde idi son aşamada elde edildi. Şekil 5. Sistemi kullanılarak incelenebilir. A. Bilişsel davranış bilişsel davranış ve beyin fonksiyonları örneği. Üst başlıkları bir deneme, bir dizi her eylem açıklanmaktadır. Alt başlıkları ele alınabilir bilişsel davranışlar gösterir. Iki kolu kolu odasına uzanan işlenmesinde olduğu d hariç tüm resimler çıkarıldı söyledi. B. iki seçim işitsel görevi gerçekleştirirken bir sıçan NB kaydedilen bir nöronun desenleri Atış unutmayın. Top, Her denemenin üzerinden ateşleme raster görüntü arsa. Her renkli bir dikdörtgen hücre ateş temsil eden ve ateşleme hızı renkli. Alt, Peri-hatta tarafından kodlanmıştıratış hızı t histogram. Ve ateş yavaş yavaş dağılma eylem sonrası (sıfır kırmızı noktalı dikey çizgi ile gösterilen mikrosaniye, zaman kolunu iterek). C VTA kaydedilen bir nöronun desenleri Atış eylemden önce bina-up Ateş Not İki seçim işitsel işi yapan bir sıçan. Top, her araştırma genelinde tek bir VTA nöronun Ateş Raster görüntü arsa. Her renkli bir dikdörtgen VTA nöronun ateşleme temsil ve atış hızı renk ile kodlanmıştır. Ateşleme hızı Alt, Peri-olay histogram raster görüntü gösterilir. Sıçan ödül elde edilir dönemde ve dinç atış (zaman sıfır dikey kırmızı noktalı çizgi ile gösterilen mikrosaniye, at) itme kolu eylem hemen önce seyrek atış unutmayın. Bu nöron aktivitesi bu iki eylem arasında neredeyse sessiz. Beyinde implante Tungsten stereotrodes al için kullanıldısıçan görevi yerine iken NB ve VTA aynı anda nöral faaliyetlerini ord. Spike-sıralama SpikeSort 3D Yazılım (Neuralynx, Bozeman) kullanarak off-line yapıldı.