Langfristige sensorischen Konflikt in Mäusen frei Verhalten
Summary
Die vorgestellte Protokoll erzeugt einen anhaltenden sensorischen Konflikt für Experimente zur langfristigen lernen zu studieren. Durch das dauerhaft eine feste Vorrichtung tragen auf dem Kopf, sind Mäuse ständig eine sensorische Missverhältnis zwischen visuellen und vestibulären Eingaben während der Fahrt frei im Hause Käfige ausgesetzt.
Abstract
Langfristige sensorischen Konflikt Protokolle sind ein wertvolles Mittel des motorischen Lernens zu studieren. Die vorgestellte Protokoll erzeugt einen anhaltenden sensorischen Konflikt für Experimente zur langfristigen lernen bei Mäusen zu studieren. Durch das permanent tragen ein Gerät auf den Kopf fixiert, sind Mäuse ständig eine sensorische Missverhältnis zwischen visuellen und vestibulären Eingaben während der Fahrt frei im Hause Käfige ausgesetzt. Dieses Protokoll ermöglicht somit, ohne weiteres die Studie des visuellen Systems und multisensorische Interaktionen über einen längeren Zeitraum, die sonst nicht zugänglich wären. Dieser Ansatz beherbergt neben der experimentellen Kostensenkung langfristige sensorische lernen in Mäusen natürlich Verhalten, die Kombination von in Vivo und in Vitro Experimente. Im gemeldeten Beispiel wird Video-Oculography durchgeführt, um die Vestibulo-Okular Reflex (VOR) und optokinetischen Reflex (OKR) vor und nach dem Lernen zu quantifizieren. Mäuse für diesen langfristigen sensorischen Konflikt zwischen visuellen und vestibulären Eingänge präsentiert eine starke VOR Gewinn Abnahme ausgesetzt aber einige OKR Änderungen ausgestellt. Detaillierte Schritte der Gerätemontage, Tierpflege, und Reflexe Messungen werden hiermit gemeldet.
Introduction
Sensorischen Konflikte, wie visuelle, befinden sich im täglichen Leben, zum Beispiel, wenn eine Brille trägt, oder während einer gesamten Lebensdauer (developmental Wachstum, Veränderungen in der sensorischen Schärfe, etc..). Durch eine gut beschriebene Schaltung präzise Quantifizierung Methoden1, Anatomie, leichtführig Sinneseindrücke und quantifizierbare Motorausgängen Blick habe Stabilisierung Reflexe als Modelle des motorischen Lernens in vielen Arten. In Menschen und Affen ist die Vestibulo-Okular Reflexe (VOR) Anpassung durch den Einsatz von Prismen studiert, die das Thema für mehrere Tage2,3,4,5trägt. Da das Nagetiere-Modell die Kombination von Verhaltens- und zellulären Experimenten erlaubt, entwickelten wir eine neue Methode zur langfristigen sensorischen Konflikt in frei verhält sich Mäuse mit einem Helm-ähnlichen Gerät erstellen. Inspiriert durch die Methodik bei Menschen und Affen, generiert das Protokoll ein Missverhältnis zwischen der vestibulären und visuellen Eingänge (z.B. Visuo-vestibulärer Mismatch, VVM), die zu einem Rückgang VOR Gewinn führt.
Klassische Protokolle Auslösen einer VOR Gewinn-Down Anpassung bei Nagetieren besteht aus drehen das Kopf fixiert Tier auf einer Drehscheibe beim Drehen des Gesichtsfeldes in Phase. Dieses Paradigma entsteht ein Visuo-vestibulären Konflikt, wodurch die VOR kontraproduktiv. Langfristige Anpassung Protokolle bestehen aus einer Iteration dieses Verfahrens im Laufe von mehreren aufeinander folgenden Tagen6,7,8. Infolgedessen wenn eine große Gruppe von Tieren werden getestet muss, erfordert klassische Methodik eine große Menge an Zeit. Darüber hinaus da das Tier Kopf fixiert ist, das Lernen beschränkt sich meist auf eine diskrete Frequenz/Geschwindigkeit und bestehen aus diskontinuierlichen Schulungen durch intertrial Abständen von unterschiedlicher Dauer6unterbrochen. Zu guter Letzt verwenden klassische Protokolle passives lernen, wie die vestibuläre Stimulation nicht aktiv durch freiwillige Bewegungen des Tieres, eine Situation entsteht, die vestibuläre Verarbeitung9,10stark prägt.
Die oben genannten experimentellen Einschränkungen werden durch die präsentierten innovative Methodik übertroffen. Das erforderliche chirurgische Vorgehen ist unkompliziert, und die verwendeten Materialien sind im Handel leicht erhältlich. Das einzige Teil, das stützt sich auf mehr teures Material ist die Quantifizierung des Verhaltens; Dennoch können die Grundlagen des Protokolls für jedes Experiment von in-vitro- Untersuchungen zu anderen Verhaltensstudien des Lernens verwendet werden. Insgesamt kann generieren eine vorübergehende Sehstörungen und Visuo-vestibulären Konflikt über mehrere Tage, diese Methode leicht zu jeder Studie mit sensorischen Störung oder motorischen Lernens umgesetzt werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die langfristige sensorischen Störung hier beschriebenen besteht Visuo-vestibulärer Mismatch in Mäusen frei Verhalten produziert. Um das Gerät implantieren, das Mäuse für 14 Tage zu tragen, ist eine einfache und kurze mit einem handelsüblichen chirurgische Kit operiert. Mäuse erholen Sie sich in weniger als 1 Stunde von diesem Headpost Implantationsverfahren und zeigen keine damit verbundenen Zeichen der Bedrängnisses daraus. Anschließend werden im angegebenen Beispiel der Anwendung dieses Protokolls VOR und OKR gemessen mit der Video-Oculography-Technik. Dennoch konnte dieses Gerät-induzierte langfristige lernen Protokoll in einer Vielzahl von Experimenten wie in-vitro- Elektrophysiologie1, neuronale Bildgebung und verschiedene Verhaltensstörungen Assays verwendet werden. Die Beweggründe für die Entwicklung dieser Technik war inspiriert von Prism basierende Methodik bei Menschen und Affen. Diese Technik unterscheidet sich jedoch, weil es beeinträchtigt, anstatt Vision ändert. (In seiner jetzigen Form) stellt es somit, einen extremen Fall von Visuo-vestibulärer Mismatch. Die Autoren sind der Meinung, dass die zur Verfügung gestellten technische Informationen für eine prismenähnliche Version des Geräts oder Weiterentwicklung der spezifischen Funktion beschränken Geräte16nützlich sein kann.
Gemacht von einem Licht (0,9 g) Poly (Milchsäure) Kunststoff, der Kopf Gerät wurde entwickelt, um den Kopf einer jungen Erwachsenen Maus, so dass Schutz des Mauls und lässt genügend Raum seitlich um den tierischen Bräutigam lassen passen. Der vordere Teil des Gerätes stellt das Ende der Schnauze, Fütterung und Pflege Verhaltensweisen zu ermöglichen. Das Gerät ist etwas undurchsichtig, so dass das Tier noch Leuchtdichte Stimulation erhält aber präzise Vorstellung von der Umgebung beraubt wird. Die gestreiften und Sham Implantationen sind getestet, um sicherzustellen, dass die gemessenen Wirkungen vor allem auf das Visuo-vestibulärer Mismatch verursacht durch die kontrastreiche optisches Signal bei selbst erzeugten Bewegungen des gestreiften Gerätes und nicht durch propriozeptive Änderung (d. h., das Gewicht des Gerätes in der Mouse´s Kopf und Hals angewendet).
Mäuse, die das gestreifte Gerät zeigte eine signifikante VOR trug gewinnen experimentell, Abnahme von 50 % nach der Lehrzeit; Dennoch kann eine interindividuelle Variabilität für absolute Gewinn Werte sein. Sham Mäuse zeigten keine signifikanten VOR gewinnen Veränderungen, so demonstriert, dass die VOR-Reduzierung durch den sensorischen Konflikt und nicht von motorischen Beeinträchtigungen verursacht wird. Darüber hinaus jungen Mäusen (< P26) zeigte VOR und OKR gewinnen Werte niedriger als ältere Tiere17. Aus diesem Grund hat tierischen Alter berücksichtigt werden, während der Planung des Experiments. Schließlich sind die oben genannten Mäuse Ausschlusskriterien (Abschnitt 4.5) ein entscheidender Schritt, der befolgt werden sollten, um Wohlbefinden zu gewährleisten sowie die zuverlässige Ergebnisse zu etablieren.
Einer der Vorteile dieses Protokolls ist die Zeit, die es während der Lernphase Experimentatoren im Vergleich zu anderen Arten von VOR/OKR Anpassung Protokolle spart. Bisher wurde VOR Anpassung bei Mäusen untersucht, Kopf-Befestigung und das Tier auf einer rotierenden Drehscheibe6,8,18,19, die zeitaufwendig, ist vor allem, wenn viele Tiere müssen ausgebildet. Die vorgestellte Protokoll ermöglicht die Ausbildung von mehreren Tieren gleichzeitig und spart Zeit. Darüber hinaus sind in diesen klassischen Experimenten die Trainings in der Regel beschränkt auf 1 h pro Tag, längere Zeit der vermeintlichen verlernen, die Anpassung zu einem iterierten Wechsel von lernen/verlernen mit unterschiedlicher Dynamik20verursachen verlassen. Hier kann die Kopf-Fixierung des Gerätes für ununterbrochene lernen. Ein weiterer Vorteil ist, dass da die Lernphase in einer frei Verhalten Kopf frei Situation erzeugt wird, Mäuse sind in der Lage, durch eine Reihe von natürlichen Kopfbewegungen zu lernen, die aktiv generiert werden. In den klassischen Protokollen ist das Tier Kopf fixiert während passiv auf der Drehscheibe gedreht werden, so dass das Lernen bei einem entschlossenen Stimulation (eine Frequenz, eine Geschwindigkeit)21 auftritt, die nicht zum natürlichen Verbreitungsgebiet der Kopfbewegungen widerspiegelt. Es ist wichtig um zu beachten, dass das vestibuläre System Bewegungen anders kodiert angewendet wenn sie aktiv durch den Gegenstand oder extern erzeugt werden,10; Daher können die zellulären Mechanismen ausgelöst, in beiden Fällen auch abweichen.
Insgesamt eignet sich die beschriebene Methodik für kombinierte/in-vivo/in-vitro- Studien über langfristige sensorische Anpassungen nach einer visuellen Konflikts und/oder Visuo-vestibulärer Mismatch in Mäusen frei Verhalten auftritt. Sensorischen Konflikte sind eine anerkannte Ursache der Reisekrankheit, die ein Feld, das vor kurzem Einsatz von Mäusen22,23angezogen hat. Es wurde kürzlich gezeigt, dass die Gain-Anpassung verursacht durch den Einsatz dieses Gerätes bietet Schutz gegen Reisekrankheit bei Mäusen eine provokative Anregung15ausgesetzt sind. Daher kann dieses Protokoll verwendet werden, zu identifizieren, die zellulären Mechanismen, die Anpassung zu einem sensorischen Konflikt sowie Anti-Reisekrankheit Behandlungen zu entwickeln.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken Patrice Jegouzo für den Kopf-Geräte, Headpost Entwicklung und Produktion. Wir danken auch P. Calvo, A. Mialot und E. Idoux für ihre Hilfe bei der Entwicklung von früheren Versionen des Gerätes und VVM Protokoll.
Diese Arbeit wurde durch das Centre National des Etudes Spatiales, CNRS und der Université Paris Descartes finanziert. J. C. und M. B. erhalten Unterstützung von der französischen ANR-13-CESA-0005-02. F. F. B. und M. B. erhalten Unterstützung von der französischen ANR-15-CE32-0007.
Materials
| 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 |
References
- Blazquez, P. M., Hirata, Y., Highstein, S. M. The vestibulo-ocular reflex as a model system for motor learning: what is the role of the cerebellum. Cerebellum. 3 (3), 188-192 (2004).
- Berthoz, A., Jones, G. M., Begue, A. E. Differential visual adaptation of vertical canal-dependent vestibulo-ocular reflexes. Experimental Brain Research. 44 (1), 19-26 (1981).
- Melvill Jones, G., Guitton, D., Berthoz, A. Changing patterns of eye-head coordination during 6 h of optically reversed vision. Experimental Brain Research. 69 (3), 531-544 (1988).
- Anzai, M., Kitazawa, H., Nagao, S. Effects of reversible pharmacological shutdown of cerebellar flocculus on the memory of long-term horizontal vestibulo-ocular reflex adaptation in monkeys. Neuroscience Research. 68 (3), 191-198 (2010).
- Nagao, S., Honda, T., Yamazaki, T. Transfer of memory trace of cerebellum-dependent motor learning in human prism adaptation: a model study. Neural Networks. 47, 72-80 (2013).
- Boyden, E. S., Raymond, J. L. Active reversal of motor memories reveals rules governing memory encoding. Neuron. 39 (6), 1031-1042 (2003).
- Raymond, J. L., Lisberger, S. G. Behavioral analysis of signals that guide learned changes in the amplitude and dynamics of the vestibulo-ocular reflex. Journal of Neuroscience. 16 (23), 7791-7802 (1996).
- Rinaldi, A., et al. HCN1 channels in cerebellar Purkinje cells promote late stages of learning and constrain synaptic inhibition. Journal of Physiology. 591 (22), 5691-5709 (2013).
- Roy, J. E., Cullen, K. E. Dissociating self-generated from passively applied head motion: neural mechanisms in the vestibular nuclei. Journal of Neuroscience. 24 (9), 2102-2111 (2004).
- Cullen, K. E. The vestibular system: multimodal integration and encoding of self-motion for motor control. Trends in Neurosciences. 35 (3), 185-196 (2012).
- Carcaud, J., et al. Long-Lasting Visuo-Vestibular Mismatch in Freely-Behaving Mice Reduces the Vestibulo-Ocular Reflex and Leads to Neural Changes in the Direct Vestibular Pathway. eNeuro. 4 (1), (2017).
- Stahl, J. S. Using eye movements to assess brain function in mice. Vision Research. 44 (28), 3401-3410 (2004).
- de Jeu, M., De Zeeuw, C. I. Video-oculography in mice. Journal of Visualized Experiments. (65), e3971 (2012).
- van Alphen, B., Winkelman, B. H., Frens, M. A. Three-dimensional optokinetic eye movements in the C57BL/6J mouse. Investigative Ophthalmology and Visual Science. 51 (1), 623-630 (2010).
- Idoux, E., Tagliabue, M., Beraneck, M. No Gain No Pain: Relations Between Vestibulo-Ocular Reflexes and Motion Sickness in Mice. Frontiers in Neurology. 9 (918), (2018).
- Yoshida, T., Ozawa, K., Tanaka, S. Sensitivity profile for orientation selectivity in the visual cortex of goggle-reared mice. PloS One. 7 (7), 40630 (2012).
- Faulstich, B. M., Onori, K. A., du Lac, S. Comparison of plasticity and development of mouse optokinetic and vestibulo-ocular reflexes suggests differential gain control mechanisms. Vision Research. 44 (28), 3419-3427 (2004).
- Schonewille, M., et al. Purkinje cell-specific knockout of the protein phosphatase PP2B impairs potentiation and cerebellar motor learning. Neuron. 67 (4), 618-628 (2010).
- Kimpo, R. R., Rinaldi, J. M., Kim, C. K., Payne, H. L., Raymond, J. L. Gating of neural error signals during motor learning. eLife. 3, 02076 (2014).
- Kimpo, R. R., Boyden, E. S., Katoh, A., Ke, M. C., Raymond, J. L. Distinct patterns of stimulus generalization of increases and decreases in VOR gain. Journal of Neurophysiology. 94 (5), 3092-3100 (2005).
- Hubner, P. P., Khan, S. I., Migliaccio, A. A. Velocity-selective adaptation of the horizontal and cross-axis vestibulo-ocular reflex in the mouse. Experimental Brain Research. 232 (10), 3035-3046 (2014).
- Wang, J., et al. Storage of passive motion pattern in hippocampal CA1 region depends on CaMKII/CREB signaling pathway in a motion sickness rodent model. Scientific Reports. 7, 43385 (2017).
- Wang, Z. B., et al. Low level of swiprosin-1/EFhd2 in vestibular nuclei of spontaneously hypersensitive motion sickness mice. Scientific Reports. 7, 40986 (2017).
