Beyinciğe Bağımlı Duyusal İlişkisel Öğrenmeyi İzlemek için Esnek Bir Platform
Summary
İki tırmanma elyafına bağımlı ilişkisel öğrenme görevi sırasında hayvan davranışlarını izlemek için tek bir platform geliştirdik. Düşük maliyetli tasarım, fiber ile ilişkili serebellar aktiviteye tırmanmaya yönelik optogenetik veya görüntüleme deneyleriyle entegrasyona izin verir.
Abstract
Purkinje hücrelerine fiber girişlerinin tırmanması, beyinciğe bağımlı ilişkisel öğrenme için kritik olan öğretici sinyaller sağlar. Bu sinyallerin kafaya sabitlenmiş farelerde incelenmesi, görüntüleme, elektrofizyolojik ve optogenetik yöntemlerin kullanımını kolaylaştırır. Burada, bir koşu tekerleğinde serbestçe lokomote yapan kafa sabit farelerde ilişkisel öğrenmenin izlenmesine izin veren düşük maliyetli bir davranışsal platform (~ 1000 $) geliştirilmiştir. Platform iki ortak ilişkisel öğrenme paradigmasını içerir: göz kırpma koşullandırması ve gecikmiş dokunsal irkilme koşullandırması. Davranış bir kamera kullanılarak ve tekerlek hareketi bir dedektör tarafından izlenir. Bileşenleri ve kurulumu açıklıyoruz ve eğitim ve veri analizi için ayrıntılı bir protokol sağlıyoruz. Bu platform, optogenetik stimülasyon ve floresan görüntülemenin dahil edilmesine izin verir. Tasarım, tek bir ana bilgisayarın aynı anda birden fazla hayvanı eğitmek için birden fazla platformu kontrol etmesini sağlar.
Introduction
Koşullu bir yanıt ortaya çıkarmak için uyaranlar arasındaki saniyenin altındaki ilişkinin Pavlovian koşullandırılması, serebellara bağımlı öğrenmeyi araştırmak için uzun zamandır kullanılmaktadır. Örneğin, klasik gecikmeli göz kırpma koşullandırmasında (DEC), hayvanlar, her zaman bir refleks yanıp sönmesini ortaya çıkaran koşulsuz bir uyaranla (ABD; örneğin, korneaya uygulanan bir hava üflenmesi) tekrar tekrar eşleştirildiğinde, nötr bir koşullu uyarana (CS; örneğin, bir ışık parlaması veya işitsel ton) yanıt olarak iyi zamanlanmış bir koruyucu göz kırpma yapmayı öğrenirler. ve CS’nin sonunda veya yakınında gelir. Öğrenilen yanıt koşullu yanıt (CR) olarak adlandırılırken, refleks yanıt koşulsuz yanıt (UR) olarak adlandırılır. Tavşanlarda, beyinciğe özgü lezyonlar bu öğrenme biçimini bozar 1,2,3,4. Ayrıca, tırmanan fiber girdileri5 tarafından yönlendirilen Purkinje hücre kompleksi sivri uçları, uygun şekilde zamanlanmış CR’lerin elde edilmesi için gerekli bir 6,7 ve yeterli 8,9 sinyali sağlar.
Daha yakın zamanlarda, kafa sabit fareler için fiber bağımlı ilişkisel öğrenme paradigmalarına tırmanmak geliştirilmiştir. DEC, bu konfigürasyona uyarlanan ilk ilişkisel öğrenme paradigması10,11’dir. Kafaya sabitlenmiş farelerde DEC, serebellar bölgeleri tanımlamak için kullanılmıştır 11,12,13,14,15,16,17 ve devre elemanları 11,1 2,13,14,15,18,19 görev edinimi ve neslinin tükenmesi için gerekli olanlar. Bu yaklaşım aynı zamanda görev parametrelerinin hücresel düzeydeki fizyolojik temsilinin13,15,16 öğrenme ile nasıl geliştiğini göstermek için de kullanılmıştır.
Göz kırpmaya ek olarak, gecikmiş irkilme dokunsal koşullandırma (DTSC) paradigması yakın zamanda kafaya sabitlenmiş fareler20 için yeni bir ilişkisel öğrenme görevi olarak geliştirilmiştir. Kavramsal olarak DEC’e benzer şekilde, DTSC, nötr bir CS’nin bir ABD ile sunumunu, UR olarak21,22’lik bir irkilme refleksini devreye sokmak için yeterli yoğunlukta yüze bir dokunuşu içerir. DTSC paradigmasında, hem UR hem de CR, bir tekerlek üzerinde geriye doğru hareket olarak okunur. DTSC şimdi ilişkisel öğrenmenin serebellar aktiviteyi ve gen ekspresyonu kalıplarını nasıl değiştirdiğini ortaya çıkarmak için kullanılmıştır20.
Bu çalışmada, DEC veya DTSC’nin tek bir platformda esnek bir şekilde uygulanması için bir yöntem geliştirilmiştir. Uyaran ve platform öznitelikleri Şekil 1’de şematize edilmiştir. Tasarım, bir kamera ile hayvan davranışını izleme kapasitesinin yanı sıra bir tekerlek üzerindeki fare hareketini izlemek için bir döner kodlayıcı içerir. Veri kaydı ve deneme yapısının tüm yönleri, eşleştirilmiş mikrodenetleyiciler (Arduino) ve tek kartlı bir bilgisayar (SBC; Ahududu Pi). Bu cihazlara sağlanan bir grafik kullanıcı arayüzü üzerinden erişilebilir. Burada kurulum, deneme hazırlama ve yürütme için bir iş akışı ve veri görselleştirme için özelleştirilmiş bir analiz işlem hattı sunuyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada özetlenen ilişkili protokollere sahip platform, iki duyusal ilişkisel öğrenme görevinde hayvan davranışını güvenilir bir şekilde izlemek için kullanılabilir. Her görev, tırmanan fiber yolu boyunca sağlam iletişime bağlıdır. Burada açıklanan tasarımda, serebellar yanıtın öğrenilmesini ve kaydedilmesini / pertürbasyonunu kolaylaştırmak için unsurları birleştiriyoruz. Bunlar, serbest hareket 11,18’in yanı sıra kafa sabitlemesine izin veren bir tek…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Ulusal Ruh Sağlığı Enstitüleri NRSA F32 MH120887-03 (G.J.B.’ye) ve R01 NS045193 ve R01 MH115750’den (S.S-H.W.’ye) hibelerle desteklenmektedir. DEC kurulumunu optimize etmek için yararlı tartışmalar için Dr. Bas Koekkoek ve Henk-Jan Boele’ye ve DTSC kurulumunu optimize etmek için yararlı tartışmalar için Dr. Yue Wang ve Xiaoying Chen’e teşekkür ederiz.
Materials
| "B" Quick Base For C&B METABOND – 10 mL bottle | Parkell | S398 | Dental cement solvent |
| "C" Universal TBB Catalyst – 0.7 mL | Parkell | S371 | Catalyst |
| #8 Washers | Thorlabs | W8S038 | Washers |
| 0.250" (1/4") x 8.00" Stainless Steel Precision Shafting | Servocity | 634172 | 1/4" shaft |
| 0.250” (0.770") Clamping Hub | Servocity | 545588 | Clamping hub |
| 1/4" to 6 mm Set Screw Shaft Coupler- 5 pack | Actobotics | 625106 | Shaft-coupling sleeve |
| 1/4"-20 Cap Screws, 3/4" Long | Thorlabs | SH25S075 | 1/4" 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 Resistors | EDGELEC | ED_YT05_U_100Pcs | CS 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 Video | Star-tech | HDDDVIMM2M | Raspberry Pi4B to monitor cable |
| 256 GB Ultra Fit USB 3.1 Flash Drive | SanDisk | SDCZ430-256G-G46 | USB thumb drive |
| 3.3 V–5 V 4 Channels Logic Level Converter Bi-Directional Shifter Module | Amazon | B00ZC6B8VM | Logic level shifter |
| 32 GB 95 MB/s (U1) microSDHC EVO Select Memory Card | Samsung | MB-ME32GA/AM | microSD card |
| 4.50" Aluminum Channel | Servocity | 585444 | 4.5" aluminum channel |
| 48-LED CCTV Ir Infrared Night Vision Illuminator | Towallmark | SODIAL | Infrared light array |
| 4PCS Breadboards Kit Include 2PCS 830 Point 2PCS 400 Point Solderless Breadboards for Proto Shield Distribution Connecting Blocks | REXQualis | B07DL13RZH | Breadboard |
| 5 Port Gigabit Unmanaged Ethernet Network Switch | TP-Link | TL-SG105 | Ethernet switch |
| 5 V 2.5 A Raspberry Pi 3 B+ Power Supply/Adapter | Canakit | DCAR-RSP-2A5 | Power supply for Raspberry Pi 3B+ |
| 5-0 ETHILON BLACK 1 x 18" C-3 | Ethicon | 668G | Sutures |
| 6 mm Shaft Encoder 2000 PPR Pushpull Line Driver Universal Output Line Driver Output 5-26 V dc Supply | Calt | B01EWER68I | Rotary encoder |
| Ø1/2" Optical Post, SS, 8-32 Setscrew, 1/4"-20 Tap, L = 1", 5 Pack | Thorlabs | TR1-P5 | Optical posts |
| Ø1/2" Optical Post, SS, 8-32 Setscrew, 1/4"-20 Tap, L = 2", 5 Pack | Thorlabs | TR2-P5 | Optical posts |
| Ø1/2" Optical Post, SS, 8-32 Setscrew, 1/4"-20 Tap, L = 4", 5 Pack | Thorlabs | TR4-P5 | Optical posts |
| Ø1/2" Optical Post, SS, 8-32 Setscrew, 1/4"-20 Tap, L = 6", 5 Pack | Thorlabs | TR6-P5 | Optical posts |
| Ø1/2" Post Holder, Spring-Loaded Hex-Locking Thumbscrew, L = 2" | Thorlabs | PH2 | Optical post holder |
| Adapter-062-M X LUER LOCK-F | The Lee Co. | TMRA3201950Z | Solenoid valve luer adapter |
| Aeromat Foam Roller Size: 36" Length | Aeromat | B002H3CMUE | Foam roller |
| Aluminum Breadboard 10" x 12" x 1/2", 1/4"-20 Taps | Thorlabs | MB1012 | Aluminum breadboard |
| Amazon Basics HDMI to DVI Adapter Cable, Black, 6 Feet, 1-Pack | Amazon | HL-007347 | Raspberry Pi3B+ to monitor cable |
| Arduino Uno R3 | Arduino | A000066 | Arduino Uno (microcontroller board) |
| Arduino Due | Arduino | A000062 | Arduino Due (microcontroller board) |
| Bench Power Supply, Single, Adjustable, 3 Output, 0 V, 24 V, 0 A, 2 A | Tenma | 72-8335A | Power supply |
| Clear Scratch- and UV-Resistant Cast Acrylic Sheet, 12" x 24" x 1/8" | McMaster Carr | 8560K257 | Acrylic 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 Motor | Stepper Online | B06Y5VPSFN | Stepper motor driver |
| Compact Compressed Air Regulator, Inline Relieving, Brass Housing, 1/4 NPT | McMaster Carr | 6763K13 | Air source regulator |
| Cotton Swab | Puritan | 806-WC | Cotton swab |
| Dell 1908FP 19" Flat Panel Monitor – 1908FPC | Dell | 1908FPC | Computer monitor |
| Flex Cable for Raspberry Pi Camera | Adafruit | 2144 | camera serial interface cable |
| High Torque Nema 17 Bipolar Stepper Motor 92 oz·in/65 N·cm 2.1 A Extruder Motor | Stepper Online | 17HS24-2104S | Stepper motor |
| Isoflurane | Henry Schein | 66794001725 | Isoflurane |
| Krazy Maximum Bond Permanent Glue, 0.18 oz. | Krazy Glue | KG483 | Cyanoacrylate glue |
| Lidocaine HCl | VetOne | 510212 | Lidocaine |
| Low-Strength Steel Hex Nut, Grade 2, Zinc-Plated, 1/4"-20 Thread Size | McMaster Carr | 90473A029 | Nuts |
| M3 x 50 mm Partially Threaded Hex Key Socket Cap Head Screws 10 pcs | Uxcell | A16040100ux1380 | M3 bolt |
| NEMA 17 Stepper Motor Mount | ACTOBOTICS | 555152 | Stepper motor mount |
| Official Raspberry Pi Power Supply 5.1 V 3 A with USB C – 1.5 m long | Adafruit | 4298 | Power supply for Raspberry Pi 4B |
| Optixcare Dog & Cat Eye Lube Lubricating Gel, 0.70-oz tube | Optixcare | 142422 | Opthalimic ointment |
| Precision Stainless Steel Ball Bearing, Shielded, Trade No. R188-2Z, 13000 rpm Maximum Speed | McMaster-Carr | 3759T57 | Bearing |
| Premium Female/Female Jumper Wires – 40 x 6" | Adafruit | 266 | Wires |
| Premium Female/Male 'Extension' Jumper Wires – 40 x 6" (150 mm) | Adafruit | 826 | Wires |
| Premium Male/Male Jumper Wires – 40 x 6" | Adafruit | 758 | Wires |
| Radiopaque L-Powder for C&B METABOND – 5 g | Parkell | S396 | Dental cement powder |
| Raspberry Pi (3B+ or 4B) | Adafruit | 3775 or 4295 | Raspberry Pi |
| Raspberry Pi NoIR Camera Module V2 – 8MP 1080P30 | Raspberry Pi Foundation | RPI3-NOIR-V2 | Raspberry NoIR V2 camera |
| Right-Angle Bracket, 1/4" (M6) Counterbored Slot, 8-32 Taps | Thorlabs | AB90E | Right-angle bracket |
| Right-Angle Clamp for Ø1/2" Posts, 3/16" Hex | Thorlabs | RA90 | Right-angle optical post clamp |
| Right-Angle End Clamp for Ø1/2" Posts, 1/4"-20 Stud and 3/16" Hex | Thorlabs | RA180 | Right-angle end clamp |
| RJ45 Cat-6 Ethernet Patch Internet Cable | Amazon | CAT6-7FT-5P-BLUE | Ethernet cable |
| Rotating Clamp for Ø1/2" Posts, 360° Continuously Adjustable, 3/16" Hex | Thorlabs | SWC | Rotating optical post clamps |
| Spike & Hold Driver-0.1 TO 5 MS | The Lee Co. | IECX0501350A | Solenoid valve driver |
| Swivel Base Adapter | Thorlabs | UPHA | Post holder adapter |
| USB 2.0 A-Male to Micro B Cable, 6 feet | Amazon | 7T9MV4 | USB2 type A to USB2 micro cable |
| USB 2.0 Printer Cable – A-Male to B-Male, 6 Feet (1.8 m) | Amazon | B072L34SZS | USB2 type B to USB2 type A cable |
| VHS-M/SP-12 V | The Lee Co. | INKX0514900A | Solenoid valve |
| Zinc-Plated Steel 1/4" washer, OD 1.000" | McMaster Carr | 91090A108 | Washers |
References
- 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).
- 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).
- McCormick, D. A., Thompson, R. F. Cerebellum: essential involvement in the classically conditioned eyelid response. Science. 223 (4633), 296-299 (1984).
- Krupa, D. J., Thompson, J. K., Thompson, R. F. Localization of a memory trace in the mammalian brain. Science. 260 (5110), 989-991 (1993).
- Llinás, R., Sugimori, M. Electrophysiological properties of in vitro Purkinje cell dendrites in mammalian cerebellar slices. The Journal of Physiology. 305, 197-213 (1980).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Gao, Z., et al. Excitatory cerebellar nucleocortical circuit provides internal amplification during associative conditioning. Neuron. 89 (3), 645-657 (2016).
- Giovannucci, A., et al. Cerebellar granule cells acquire a widespread predictive feedback signal during motor learning. Nature Neuroscience. 20 (5), 727-734 (2017).
- Ten Brinke, M. M., et al. Dynamic modulation of activity in cerebellar nuclei neurons during pavlovian eyeblink conditioning in mice. eLife. 6, 28132 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- Yamada, T., et al. Sensory experience remodels genome architecture in neural circuit to drive motor learning. Nature. 569 (7758), 708-713 (2019).
- Horlington, M. Startle response circadian rhythm in rats: lack of correlation with motor activity. Physiology & Behavior. 5 (1), 49-53 (1970).
- 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).
- . Raspberry Pi Operating system images Available from: https://www.raspberrypi.com/software/operationg-systems/ (2021)
- . VNC Server. VNC® Connect Available from: https://www.realvnc.com/en/connect/download/vnc/ (2021)
- . Anaconda: The world’s most popular data science platform Available from: https://xddebuganaconda.xdlab.co/ (2021)
- De Zeeuw, C. I., Ten Brinke, M. M. Motor learning and the cerebellum. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 7 (9), 021683 (2015).
- Badura, A., et al. Normal cognitive and social development require posterior cerebellar activity. eLife. 7, 36401 (2018).
- 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).
- Kloth, A. D., et al. Cerebellar associative sensory learning defects in five mouse autism models. eLife. 4, 06085 (2015).
- 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).
- Lin, C., Disterhoft, J., Weiss, C. Whisker-signaled eyeblink classical conditioning in head-fixed Mice. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (109), e53310 (2016).
- Pereira, T. D., et al. Fast animal pose estimation using deep neural networks. Nature Methods. 16 (1), 117-125 (2019).
- Mathis, A., et al. DeepLabCut: markerless pose estimation of user-defined body parts with deep learning. Nature Neuroscience. 21 (9), 1281-1289 (2018).
