所提出的协议产生了一个持续的感官冲突的实验, 旨在研究长期学习。通过在头部永久佩戴固定装置, 小鼠在家庭笼子里自由移动时, 会不断接触到视觉和前庭输入之间的感官不匹配。
长期感觉冲突协议是研究运动学习的一种有价值的手段。所提出的协议产生了一个持续的感官冲突的实验, 旨在研究长期学习的小鼠。通过永久佩戴固定在头部的设备, 老鼠在家庭笼子里自由移动时, 不断接触到视觉和前庭输入之间的感官不匹配。因此, 该协议可以很容易地研究视觉系统和多感官互动在一个较长的时间框架内, 否则将无法访问。除了降低自然行为小鼠长期感觉学习的实验成本外, 这种方法还适应了体内和体外实验的结合。在所报告的例子中, 视频成像是为了量化学习前后的前庭眼反射 (vor) 和视动动力学反射 (okr)。暴露在视觉和前庭输入之间的这种长期感觉冲突的小鼠表现出强烈的 vor 增益下降, 但表现出很少的 okr 变化。报告了设备组装、动物护理和反射测量的详细步骤。
感觉冲突, 如视觉上的冲突, 存在于日常生活中, 例如, 当一个人戴眼镜或在整个寿命 (发育增长, 感官敏锐度的变化, 等等)。由于电路解剖描述良好, 易于控制的感官输入, 可量化的运动输出, 和精确的量化方法1, 凝视稳定反射已被用作模型的运动学习在许多物种。在人类和猴子中, 前庭眼反射 (vor) 的适应是通过使用被试佩戴几天的棱镜来研究的。由于啮齿类动物模型允许行为和细胞实验相结合, 我们开发了一种新的方法, 以创建长期的感觉冲突, 在自由行为的小鼠与头盔样的设备。受人类和猴子使用的方法的启发, 该协议产生前庭和视觉输入 (即视觉前庭不匹配, vestibular) 之间的不匹配, 导致 vor 增益减少。
经典的协议触发了啮齿类动物的 vor 增益适应, 包括在转盘上旋转头部固定的动物, 同时在相位旋转视野。这种范式创造了一个视觉前庭冲突, 这使得 vor 反效果。长期适应协议包括在连续几天的过程中对此过程进行迭代6、7、8。因此, 当大量动物需要测试时, 经典的方法需要大量的时间。此外, 由于动物是头部固定的, 学习大多限于离散频率速度, 包括不连续训练, 中断了不同持续时间的试验间隔 6.最后, 经典的协议使用被动学习, 因为前庭刺激不是由动物的自愿运动主动产生的, 这种情况极大地塑造了前庭的处理 9,10.
上述实验制约因素已被提出的创新方法所超越。所需的手术方法很简单, 所使用的材料在商业上很容易获得。唯一依赖于更昂贵的材料的部分是行为的量化;尽管如此, 该协议的基本原理可以用于任何实验, 从体外调查到其他学习行为研究。总体而言, 通过在几天内产生暂时的视觉障碍和视觉前庭冲突, 这种方法可以很容易地转用于任何与感官摄动或运动学习有关的研究。
这里描述的长期感觉扰动包括在自由行为的老鼠中产生的视觉前庭不匹配。为了植入老鼠使用14天的装置, 使用商业上可获得的手术套件进行简单而短的手术。小鼠在不到1小时的时间内从这个头柱植入程序中恢复, 并没有显示出相关的痛苦迹象。随后, 在该协议的应用实例中, 利用视频成像技术对 vor 和 okr 进行了测量。尽管如此, 这种设备诱导的长期学习协议可以用于各种实验, 如体外电生理学1, 神经元成像, 和各种行为检测。这种技术的发展背后的基本原理是受人类和猴子使用的基于棱镜的方法的启发。然而, 这种技术是不同的, 因为它损害而不是修改视力。因此, 它构成 (以其目前的形式) 视觉前庭不匹配的极端情况。作者认为, 所提供的技术信息可能有助于设计类似棱镜的设备版本或进一步开发特定的功能限制设备 16。
头部装置由轻质 (0.9 克) 聚 (乳酸) 塑料制成, 设计用来适合年轻成年老鼠的头部, 使鼻子得到保护, 并横向留下足够的空间, 让动物新郎。这个装置的前部暴露了鼻子的末端, 允许喂养和梳理行为。该装置略显不透明, 因此动物被剥夺了对周围的精确视觉, 但仍受到亮度刺激。对条纹和假植入物进行了测试, 以确保测量的效果主要是由于条纹装置自生成运动过程中高对比度视觉信号造成的视觉前庭不匹配, 而不是由本体感知引起的修改 (即应用于鼠标的设备的重量, 调整头部和颈部)。
实验中, 佩戴条纹装置的小鼠在学习期间后的 vor 增益显著下降 50%;仍然, 绝对增益值可能会有个体间的可变性。神鼠无明显的 vor 增益改变, 从而表明 vor 减少是由感觉冲突引起的, 而不是由运动损伤引起的。此外, 幼鼠 (& lt;P26) 显示, vor 和 okr 增益值低于老动物17。因此, 在规划实验时, 必须考虑到动物年龄。最后, 上述小鼠排除标准 (第4.5 节) 是确保福祉和建立可靠结果的关键步骤。
与其他类型的 vor/okr 适应协议相比, 该协议的优点之一是在学习期间节省了实验者的时间。到目前为止, 通过固定头部和在旋转转盘6、8、18、19 上训练动物来研究小鼠的 vor 适应, 这很耗时, 特别是在必须有很多动物的情况下训练。所提出的协议允许同时训练几种动物, 并节省时间。此外, 在这些经典的实验中, 培训通常被限制为每天 1小时, 留下了很长时间的假定的不学习, 导致适应成为学习的交替/学习与不同的动态20。在这里, 该装置的头部固定允许不间断的学习。另一个优点是, 由于学习周期是在自由行为的无头环境中产生的, 老鼠能够通过一系列积极产生的自然头部运动来学习。在经典的协议中, 动物在转盘上被动旋转时是头部固定的, 因此学习是以不反映头部运动的自然范围的确定刺激 (一个频率,一个速度) 21 进行的。需要注意的是, 前庭系统编码运动不同时, 他们的主体积极生成或外部应用10;因此, 在这两种情况下触发的细胞机制也可能不同。
总体而言, 该方法适用于病毒/体外联合研究发生的视觉冲突和/或视觉前庭不匹配后的自由行为小鼠。感觉冲突是一种公认的运动病原因, 这是最近吸引使用老鼠22,23的一个领域。最近的研究表明, 当小鼠接触到挑衅性刺激15时, 使用这种装置所产生的增益适应提供了预防晕动病的保护.因此, 该协议可用于确定适应感官冲突的细胞机制, 以及开发抗运动病治疗方法。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢帕特里斯·杰古佐的头套设备和头柱的开发和生产。我们还感谢 p. calvo、a. mialot 和 e. idox 在开发设备和 vvm 协议的早期版本方面提供的帮助。
这项工作由国家空间研究中心、国家遥感中心和巴黎笛卡尔大学资助。j. c. 和 m. b. 得到法国 anr-13-cesa-000-02 的支持。f. f. b. 和 m. b. 得到法国 anr-15-c3:32-0007 的支持。
3D printer | Ulimaker, USA | S5 | |
Blunt scissors | FST | 14079-10 | |
Catalyst V | Sun Medical, Japan | LX22 | Parkell bio-materials, Kit n°S380 |
Dentalon Plus | Heraeus | 37041 | |
Eyetracking system and software | Iscan | ETN200 | |
Green activator | Sun Medical, Japan | VE-1 | Parkell bio-materials, Kit n°S380 |
Monomer | Sun Medical, Japan | MF-1 | Parkell bio-materials, Kit n°S380 |
Ocrygel | TvmLab | 10779 | Ophtalmic vet ointment |
Polymer L-type clear (cement) | Sun Medical, Japan | TT12F | Parkell bio-materials, Kit n°S380 |
Sketchup | Trimble | 3D modeling software used for the device's ready-to-print design file | |
Turntable | Not commercially available |