Registrazione di potenziali d'azione singoli neuroni 'di muoversi liberamente Piccioni attraverso tre fasi di apprendimento
Summary
Imparare nuove associazioni stimolo-risposta coinvolge una vasta gamma di processi neurali che sono in ultima analisi riflettono nel cambiare uscita picco dei singoli neuroni. Qui si descrive un protocollo comportamentale che consenta la registrazione continua di attività singolo neurone mentre gli animali acquisiscono, spegnere, e riacquistano una risposta condizionata all'interno di una singola sessione sperimentale.
Abstract
Mentre il tema della formazione ha suscitato grande interesse da parte degli scienziati sia comportamentali e neuronali, solo relativamente pochi ricercatori hanno osservato attività singolo neurone mentre gli animali stanno acquisendo una risposta operantly condizionata, o se quella risposta è estinta. Ma anche in questi casi, periodi di osservazione di solito comprendono solo una singola fase di apprendimento, vale a dire l'acquisizione o l'estinzione, ma non entrambi (eccezioni includono i protocolli di lavoro di apprendimento inversione, vedere Bingman et al 1 per un esempio.). Tuttavia, l'acquisizione e l'estinzione comportano diversi meccanismi di apprendimento e, pertanto, dovrebbero essere accompagnate da diversi tipi e / o loci di plasticità neurale.
Di conseguenza, abbiamo sviluppato un paradigma comportamentale che gli istituti di tre fasi di apprendimento in una singola sessione comportamentale e che è adatto per la registrazione simultanea dei potenziali d'azione singoli neuroni. Animali are addestrato su un unico intervallo compito scelta forzata che richiede la mappatura ciascuna delle due possibili risposte scelta per la presentazione dei vari stimoli visivi romanzo (acquisizione). Dopo aver raggiunto un criterio di prestazione predefinita, una delle due risposte scelta non è rinforzato (estinzione). A seguito di un certo decremento nel livello di prestazioni, le risposte corrette sono rafforzate nuovo (riacquisto). Utilizzando una nuova serie di stimoli in ogni sessione, gli animali possono subire il processo di acquisizione estinzione-riacquisizione ripetutamente. Poiché tutti e tre fasi di apprendimento si verificano in una singola sessione comportamentale, il paradigma è ideale per l'osservazione simultanea dell'uscita incurvamento multipli singoli neuroni. Usiamo i piccioni come sistemi modello, ma il compito può essere facilmente adattato ad altre specie in grado di apprendimento discriminazione condizionata.
Introduction
Imparare nuove associazioni stimolo-risposta-esito coinvolge una vasta gamma di processi di plasticità neurale. Questi processi sono in ultima analisi riflettono nel cambiare uscita picco dei singoli neuroni. Probabilmente, uno dei paradigmi più frequentemente impiegato di apprendimento è pavloviano condizionamento alla paura condotta con i roditori. In questo contesto, l'acquisizione e l'estinzione di una risposta condizionata si svolgono all'interno di poche decine di prove 2. Il rapido sviluppo di paura condizionata può essere vantaggioso perché consente l'esecuzione di un gran numero di animali in breve tempo. Inoltre, l'acquisizione e l'estinzione possono essere osservati entro poche decine di prove su un singolo giorno in animali naive 3,4 o distribuiti in 2 o 3 giorni 2,5-8. Tuttavia, le conoscenze acquisite sui cambiamenti dell'attività neurale durante l'apprendimento in questi esperimenti non necessariamente applicarsi fuori del dominio della paura condizionata. Ad esempio, il comportamento goal-directed guidato da posizionerinforzo tiva è più adeguatamente modellato da operante piuttosto che di Pavlov procedure di condizionamento, e può in parte dipendere da diversi substrati neurali 9,10. Inoltre, la paura condizionata sviluppa così rapidamente che le risposte neurali alla CS possono essere osservati solo per poche decine di prove, ponendo limiti severi sulla analisi delle variazioni di attività neurale durante l'apprendimento.
Purtroppo, l'acquisizione e l'estinzione dei operante rispondere di solito richiede molti giorni. Questo è dannoso per ricerche neurofisiologici, perché è notoriamente difficile da registrare l'attività di singole cellule su più di poche ore. A causa della elevata somiglianza delle forme d'onda dei potenziali d'azione extracellulare registrati, è problematico affermare che picchi registrati in un giorno sono generati dalla stessa cella come picchi con forme d'onda simili registrati sul successivo 11,12, soprattutto nelle zone ad alta densità cellulare come l'ippocampo.
<p class="Jove_content"> Per risolvere questi problemi, abbiamo sviluppato un paradigma comportamentale romanzo utilizzando tre condizioni di apprendimento all'interno di una sessione sperimentale in un solo giorno. Ciò richiede che l'animale sperimentale è disposto a effettuare centinaia di prove in condizioni variabili su un sottile piano di rinforzo. Piccioni (Columbia livia forma domestica) sono organismi modello classico in psicologia sperimentale 13-17. Questi uccelli sono in grado di eseguire complesse discriminazioni visive 18, in grado di adattarsi in modo flessibile comportamento al mutare delle contingenze di rinforzo 19,20, e sono unicamente lavoratori accaniti, l'esecuzione di 1.000 prove con quantità minima di rinforzo. Queste caratteristiche li rendono particolarmente adatti per gli esperimenti descritti di seguito.Protocol
Representative Results
Discussion
Questo protocollo descrive un compito comportamentale complesso adatto per le registrazioni simultanee singola unità. Abbiamo descritto il compito SIFC per i piccioni, ma può essere facilmente adattato a roditori richiedendo poke naso o la leva premendo piuttosto che becca chiave, e sostituendo visivo olfattivo, uditivo, o stimoli tattili.
Forse le fasi più critiche durante la procedura di formazione sono 1) la graduale riduzione della probabilità di ricompensa e 2) aumento del numero di…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stata sostenuta da sovvenzioni della Fondazione tedesca per la ricerca (DFG) a MCS (PER IL 1581, STU 544/1-1) e OG (PER IL 1581, SFB 874). Il sito web del DFG è http://www.dfg.de/en/index.jsp. I finanziatori hanno avuto alcun ruolo nel disegno dello studio, la raccolta e l'analisi dei dati, la decisione di pubblicare, o la preparazione degli autori manuscript.The ringraziare Thomas Seidenbecher per averci fornito il protocollo di doratura così come Tobias Otto aiuto per impostare il elettrofisiologico apparecchi di registrazione.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| 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 | 0.4x20mm/ 27Gx3/4" | |
| 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 |
Referências
- Bingman, V. P., Gasser, B. A., Colombo, M. Responses of pigeon (Columba livia) wulst neurons during acquisition and reversal of a visual discrimination task. Behav Neurosci. 122, 1139-1147 (2008).
- Herry, C., Ciocchi, S., Senn, V., Demmou, L., Müller, C., Lüthi, A. Switching on and off fear by distinct neuronal circuits. Nature. 454, 600-606 (2008).
- Quirk, G. J., Repa, C., LeDoux, J. E. Fear conditioning enhances short-latency auditory responses of lateral amygdala neurons: parallel recordings in the freely behaving rat. Neuron. 15, 1029-1039 (1995).
- Quirk, G. J., Armony, J. L., Ledoux, J. E. Components of Tone-Evoked Spike Trains in Auditory Cortex and Lateral Amygdala. Neuron. 19, 613-624 (1997).
- Maren, S. Auditory fear conditioning increases CS-elicited spike firing in lateral amygdala neurons even after extensive overtraining. Eur J Neurosci. 12, 4047-4054 (2000).
- Milad, M. R., Quirk, G. J. Neurons in medial prefrontal cortex signal memory for fear extinction. Nature. 420, 713-717 (2002).
- Hobin, J. A., Goosens, K. A., Maren, S. Context-dependent neuronal activity in the lateral amygdala represents fear memories after extinction. J Neurosci. 23, 8410-8416 (2003).
- Maren, S., Hobin, J. A. Hippocampal regulation of context-dependent neuronal activity in the lateral amygdala. Learn Mem. 14, 318-324 (2007).
- Knapska, E., et al. Differential involvement of the central amygdala in appetitive versus aversive learning. Learn Mem. 13, 192-200 (2006).
- Harloe, J. P., Thorpe, A. J., Lichtman, A. H. Differential endocannabinoid regulation of extinction in appetitive and aversive Barnes maze tasks. Learn Mem. 15, 806-809 (2008).
- Gray, C. M., Maldonado, P. E., Wilson, M., McNaughton, B. Tetrodes markedly improve the reliability and yield of multiple single-unit isolation from multi-unit recordings in cat striate cortex. J Neurosci Methods. 63, 43-54 (1995).
- Lewicki, M. S. A review of methods for spike sorting: the detection and classification of neural action potentials. Network. 9, (1998).
- Skinner, B. F. 34;Superstition" in the pigeon. J Exp Psychol. 121, 273-274 (1948).
- Herrnstein, R. J. Relative and absolute strength of response as a function of frequency of reinforcement. J Exp Anal Behav. 4, 267-272 (1961).
- Brown, P. L., Jenkins, H. M. Auto-shaping of the pigeon’s key-peck. J Exp Anal Behav. 11, 1-8 (1968).
- Epstein, R., Kirshnit, C. E., Lanza, R. P., Rubin, L. C. 34;Insight" in the pigeon: antecedents and determinants of an intelligent performance. Nature. 308, 61-62 (1984).
- Mazur, J. E. Varying initial-link and terminal-link durations in concurrent-chains schedules: a comparison of three models. Behav Processes. 66, 189-200 (2004).
- Herrnstein, R. J., Loveland, D. H. Complex visual concept in the pigeon. Science. 146, 549-551 (1964).
- Stüttgen, M. C., Yildiz, A., Güntürkün, O. Adaptive criterion setting in perceptual decision making. J Exp Anal Behav. 96, 155-176 (2011).
- Stüttgen, M. C., Kasties, N., Lengersdorf, D., Starosta, S., Güntürkün, O., Jäkel, F. Suboptimal criterion setting in a perceptual choice task with asymmetric reinforcement. Behav Processes. 96, 59-70 (2013).
- Rose, J., Otto, T., Dittrich, L. The Biopsychology-Toolbox: a free, open-source Matlab-toolbox for the control of behavioral experiments. J Neurosci Methods. 175, (2008).
- Bilkey, D. K., Muir, G. M. A low cost, high precision subminiature microdrive for extracellular unit recording in behaving animals. J Neurosci Methods. 92, 87-90 (1999).
- Bilkey, D. K., Russell, N., Colombo, M. A lightweight microdrive for single-unit recording in freely moving rats and pigeons. Methods. 30, 152-158 (2003).
- Gallistel, C. R., Gibbon, J. Time, rate, and conditioning. Psychol Rev. 107, 289-344 (1993).
- Starosta, S., Güntürkün, O., Stüttgen, M. C. Stimulus-response-outcome coding in the pigeon nidopallium caudolaterale. PLoS One. 8, (2013).
- McNaughton, B. L., O’Keefe, J., Barnes, C. A. The stereotrode: a new technique for simultaneous isolation of several single units in the central nervous system from multiple unit records. J Neurosci Methods. 8, 391-397 (1983).
- Hill, D. N., Mehta, S. B., Kleinfeld, D. Quality metrics to accompany spike sorting of extracellular signals. J Neurosci. 31, 8699-8705 (2011).
