Baş-sabit Farelerde bıyık-sinyalini eyeblink Klasik Koşullanma
Summary
The preparation presented here for whisker-signaled eyeblink conditioning in head-fixed mice precisely stimulates specific whiskers while allowing mice to ambulate on a cylindrical treadmill. A whisker stimulation conditioned stimulus (CS) paired with a periorbital shock unconditioned stimulus (US) results in reliable associative learning on this apparatus.
Abstract
Eyeblink conditioning is a common paradigm for investigating the neural mechanisms underlying learning and memory. To better utilize the extensive repertoire of scientific techniques available to study learning and memory at the cellular level, it is ideal to have a stable cranial platform. Because mice do not readily tolerate restraint, they are usually trained while moving about freely in a chamber. Conditioned stimulus (CS) and unconditioned stimulus (US) information are delivered and eyeblink responses recorded via a tether connected to the mouse’s head. In the head-fixed apparatus presented here, mice are allowed to run as they desire while their heads are secured to facilitate experimentation. Reliable conditioning of the eyeblink response is obtained with this training apparatus, which allows for the delivery of whisker stimulation as the CS, a periorbital electrical shock as the US, and analysis of electromyographic (EMG) activity from the eyelid to detect blink responses.
Introduction
Eyeblink klima Pavlovyan klima şeklidir ve birleştirici öğrenme ve hafıza nöral mekanizmaları araştırmak için bir model sistem. İnsanlarda, tavşan, kedi, sıçanlar ve fareler dahil olmak üzere çeşitli türlerin, araştırılmıştır. Paradigma iki eşleştirilmiş uyaranlara sunumunu içerir: nötr koşullandırılmış uyaran (CS, örneğin, bir ses, bir ışık flaş veya bıyık stimülasyon) ve çarpıcı koşulsuz uyaran (ABD; örneğin, göz bir hava puf ya da periorbital şok). ABD koşulsuz, dönüşlü eyeblink tepkisi (yani, UR) ortaya çıkarır. Sonunda, eşleştirilmiş CS-ABD birkaç sunumların ardından, konu ABD ile CS ilişkilendirmek öğrenir. Bu öğrenme durumunu yanıt (CR), ABD'nin sunumu öncesinde yalnız CS tarafından ortaya bir eyeblink şeklinde kendini gösterir.
izleme şeklinde eyeblink Tertibatı bir kaç saatlik bir uyarı içermeyen aralığını kapsarCS ve ABD (Şekil 1) ayıran undred milisaniye. O uyaran şarta 1 bilincini gerektirir çünkü iz klima bildirimsel öğrenme şeklidir. Zamansal boşluk 1-6 ilişkili olma ABD ve CS sırayla hipokampus gibi ön beyin bölgelerinde CS nöral 'iz' tutmak için hayvan gerektirir. Ön beyin bölgeleri ile birlikte, izleme Tertibatı serebellumda 7 bağlıdır.
Eyeblink klima, bu nedenle, satın alma, konsolidasyon ve alma da dahil olmak üzere bellek çoklu yönleriyle, soruşturma için yararlı bir paradigma. eyeblink klima sırasında, hayvanların bir kontrol grubu ABD sunumu yalnız ziyade öğrenilen CS-ABD dernek neden olabilir CS pseudoconditioning veya hassaslaştırılmış yanıtlar için test etmek rasgele sırayla eşleşmemiş uyaranlara ile sunulmaktadır.
Yaygın olarak kullanılan bir cihatus kemirgenler eyeblink klima soruşturma kemirgenler eğitim sürecinde 8-10 sırasında yaklaşık serbestçe hareket etmesine izin verilen bir bölme olduğunu. düzeneğin bu tür ile, bir bağlama ipi normalde kemirgen kafatasına takılan bir başlık parçası eklenir. Halata ABD (ve bazen de CS) verilmesi için ve bu uyaranlara (örn eyeblink tepki) 10 hayvanın tepki iletmeye olanak sağlar. bağlama kendisinin teslim uyaranlara türüne bağlı olarak değiştirilebilir ve eyeblink tepkisi kadar kaydedilir.
eyeblink klima için "özgürce hareket" gergin fareler kullanılmasının nedeni fareler kısıtlama karşı mücadele olmasıdır. Diğer türler bağlama için daha uygun olabilir de, eyeblink Tertibatı deneylerde fareler kullanılarak en büyük avantajı, mevcut genetik olarak modifiye edilmiş mutant çoğunluğu fare soyları olmasıdır. mücadele tam Res ilavetenFarelerin TRAINT akut stres ile sonuçlanır. stresi en aza indiren bir kafa sabit fare hazırlık eyeblink klima sırasında elde edilebilir fizyolojik bilgileri artacaktır. Örneğin bu sistem, 2 foton mikroskopi 11 kortikal nöronlar görüntüleme izin verir.
Genel sabit preparatlar ve ayrıca farelerde 11 eyeblink havalandırma için bir platform, Tetrode dizileri, iki foton kalsiyum görüntüleme ile kemirgen beyin in vivo elektrofizyolojik kayıtları, kaldırılabilir kranyal implantlar vasıtasıyla korteks optik görüntüleme için daha önceki deneylerde kullanılmış -16.
Kafa sabit sistemde, güvenilir uyarılması ve kayıtları fare (Şekil 2) tam kısıtlama olmaksızın sağlanmaktadır. serbestçe hareket sisteminde kullanılan gibi bir başlık farenin kafatasına yapıştırılmıştır. eğitim sırasında, baş kısmının içinde çubuklarına bağlı bir bağlayıcı yapıştırılmıştıramacıyla silindirik bandı kemirgen kafa (Şekil 2A) stabilize etmek için. Silindirik koşu bandı fare rahatça dinlenmek için izin verir, ancak fare eğer isterse, aynı zamanda çalıştırmak için ya da yürümek için izin verir. Bu sistemin kullanımı ile, fareler CS ve ABD gibi hafif bir periorbital elektrik çarpması gibi bıyık titreşim (Şekil 1) eğitilmiş olabilir. ABD cerrahi göze cilt yanal altına yerleştirilen teller aracılığıyla teslim edilir. CS, 2-tabakalı bir dikdörtgen bükme aktüatör (Şekil 2B) bağlanmış olan bir tarak ile teslim edilir. Tarak ve bükme ayar elemanı daha sonra eğitim sırasında düzgün bir pozisyonda taşınır ve her bir hayvan için en uygun dağıtımı için ayarlanır manyetik bir baz eklenir. tarak seçilen bıyıkları apışıp kalmak için konumlandırılmış. CS doğum sırasında, bir sinyal tarağı yerinden ve bıyık 17 titreşim yol açar bükme aktüatör gönderilir.
<p classböyle bir ses ya da ışık bir flaş olarak = "jove_content"> Diğer uyaranlara son 16,18,19 farelerde etkin bir koşullu uyaran olarak kullanılmıştır. nedeni bıyık stimülasyon Bu deneysel paradigma CS için seçilen keşif sırasında somatosensoriyel bilgi girişi için kendi burun kılı üzerinde fare hayvanların bağımlılığıdır. Bıyık uyarım, güvenilir ve etkili bir CS 20 olduğu gösterilmiştir. CS eyeblink klima 20,21 öğrenme ile ilişkili kortikal değişiklikler ve plastisite haritalama için zarif bir araç sağlar Dahası, burun kılı sistemi (yani, varil korteks), bıyık stimülasyon köklü ve organize kortikal substrat verilen. Bir baş-sabit sistem uyarılır nöronlar ve olmayan uyarılan bıyıkları girişlerini alan nöronlar arasındaki cevapları karşılaştırmak için seçilen bıyıkları kesin uyarılması için izin verir. Son olarak, farelerin birçok suşları yaşa bağlı işitme kaybı gibi nispeten genç yetişkinleri sergilemek <su(görsel CS irkilme yanıtları 16 ile ilgili sorunları düzeltmek rağmen) şartına yanıp sırasında p> 22 ve gözkapağı kapatma görsel CS değiştirir. Bıyık stimülasyonu, bu komplikasyonların ya da etkilenmez.eşsiz ve önemli CS ve ABD teslimat için yöntemler de dahil olmak üzere eyeblink klima, diğer kafa sabit hazırlıkları üzerine modifikasyonlar ve eyeblink yanıt edinimi burada sundu. Bu cihaz ve eyeblink klima eğitim paradigma güvenilirliği şartlandırılmış farelerde ve pseudoconditioned kontrol hayvanları (Şekil 7A) bir nispeten düz bir öğrenme eğrisi ile ilgili öğrenme eğrileri gösterilmiştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Klasik eyeblink klima öğrenme ve bellek altında yatan nöral substratları anlamak için yararlı bir araçtır ilişkisel öğrenme şeklidir. fare gibi kemirgenlerde eyeblink klima için kullanılan Önceki yöntemler hayvan hakkında serbestçe hareket etmesine izin veren bir odayı çıkıyor. Siegel ve ark., Işık uyarılmış izleme eyeblink şartlandırma Chettih ve ark., Ve Heiney ve ark. Ve en son kullanılan tarafından tanımlanan cihaz kullanılarak farelerde eyeblink iyileşti…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Savunma Bakanlığı (W81XWH-13-01-0243) ve Ulusal Sağlık Enstitüleri (R37 AG008796) tarafından finanse edildi. Biz kafa sabit silindir aparatı oluşturmak için Northwestern Üniversitesi Makine dükkanında Alan Baker teşekkür ederiz. Biz MATLAB ve Solidworks onun rehberlik Dr. Shoai Hattori teşekkür ederim. Biz deneyi kontrollü LabView yazılımı Dr. John Gücü teşekkür ederim.
Materials
| Exervo TeraNova Foam Roller 36" x 6" | Amazon | B002ONUM0E | For cylinder |
| Plexiglas | Custom-made; 1 cm thick | ||
| Metal Rods (12.7mm diameter) | Custom-made | ||
| 4-40 machine screw (.25 in long) | Amazon Supply | B00F33Q8QO | For cylinder |
| Classic Design Hair Comb | Conair | 93505WG-320 | For whisker stimulation |
| 2-Layer Rectangular Bending Actuator | Piezo Systems | T220-A4-303X | For whisker stimulation |
| Solder and Flux Kit | Piezo Systems | MSF-003-NI | For whisker stimulation |
| Magnetic Base | Thor Labs | MB175 | For whisker stimulation |
| Threaded rod for magnetic base | Custom-made | ||
| Strips based on 221 series nylon strip connectors from Electronic Connector Corp. | Custom-made, based on Weiss and Disterhoft, 2008 | ||
| TO-220 Style Transistor | Amazon Supply | B0002ZPZYO | For connector; for the wings |
| Relia-Tac Sockets | Electronic Connector Corp. | 220-S02 | For connector |
| Relia-Tac Pins | Electronic Connector Corp. | 220-P02 | For headpiece |
| 0-80 stainless steel machine screw (1 in. long) | Amazon Supply | B000FN68EE | Locking Screw |
| 0-80 stainless steel machine screw hex nut (5/32 in. thick) | Amazon Supply | B000N2TK7Y | Locking Screw Head |
| Loctite Super Glue-Liquid | Loctite | 1365896 | Cyanoacrylic glue; for the locking screw |
| Quick Setting Epoxy | Ace Hardware | 18613 | For connector and whisker stimulation system |
| Ethernet Cable Wires | Ethernet cable can be taken apart to use the individual wires for the connector | ||
| Polyimide coated stainless steel wires (2 in. long, .005 in. diameter) | PlasticsOne | 005sw/2.0 37365 S-S | For headpiece, EMG and shock wires |
| Stainless steel uncoated wire (.005 in. diameter) | AM Systems | 792800 | For headpiece, ground wires |
| Tenma Variable Autotransformer | Tenma | 72-110 | For the whisker stimulation; rheostat to adjust current to the bending actuator |
| Amplifier | A-M Systems | 1700 | Amplifier for filtering and amplifying EMG signals |
| WPI A385R stimulus isolator | World Precision Instruments | 31405 | For the electrical shock |
| Isothesia (Isoflurane) | Henry Schein: Animal Health | 50031 | For surgery; anesthesia |
| Buprenex Injectable CIII | Reckett Benckiser Pharmaceuticals Inc | NDC 12496-0757-1 | For surgery; analgesic |
| Akwa Tears: Lubricant Ophthalmic Ointment | Akorn | NDC 17478-062-35 | Artificial tear ointment to prevent dry eyes while under anesthesia |
| Povidine-Iodine Prep Pads | PDI | NDC 10819-3883-1 | For surgery; antiseptic |
| Alcohol Prep Pads | May be purchased from any standard pharmacy | ||
| Stainless steel surgical scalpel handles (no.3) | Integra Miltex | 4-7. | For surgery |
| Stainless steel surgical scalpel blades | Integra Miltex | 4-310 or 4-315 | For surgery; number 10 or 15 scalpel blade |
| 3% Hydrogen Peroxide | May be purchased from any standard pharmacy | ||
| Micro Clip | Roboz | RS-5459 | For surgery, to hold back skin |
| 00-90 stainless steel machine screw (0.0625 in. long) | Amazon Supply | B002SG89X4 | For surgery, to wrap ground wire around |
| Professional Rotary Tool | Walnut Hollow | 29637 | Hand drill for surgery, to drill holes in skull |
| Inverted Cone Burr | Roboz | RS-6282C-34 | Inverted cone burr size 34; for surgery, to drill holes in skull |
| Engraving Cutter Drill Bit | Dremel | 106 | Engraving cutter; 1.6 mm bit; for surgery, to drill holes in skull |
| C&B Metabond-Quick! Cement System "B" Quick Base | Parkell | S398 | For surgery; adhesive luting cement system; important to prevent headpiece avulsion |
| C&B Metabond-Quick! Cement System Clear L-Powder | Parkell | S399 | For surgery; adhesive luting cement system; important to prevent headpiece avulsion |
| C&B Metabond-Quick! Cement System "C" Universal TBB Catalyst 0.7 ml | Parkell | S371 | For surgery; adhesive luting cement system; important to prevent headpiece avulsion |
| C&B Metabond-Quick! Cement System Ceramic Mixing Dish with temperature strip | Parkell | S387 | For surgery; adhesive luting cement system; important to prevent headpiece avulsion |
| Swiss Tweezers, style #5 | World Precision Instruments | 504506 | For surgery |
| Puritan Cotton-Tipped Applicators | VWR International | 10806-005 | For surgery |
| Dental Caulk Grip Cement Kit | Dentsply | 675570 | For surgery; dental cement |
References
- Clark, R. E., Squire, L. R. Classical conditioning and brain systems: the role of awareness. Science. 280 (5360), 77-81 (1998).
- Thompson, R. F., Kim, J. J. Memory systems in the brain and localization of a memory. PNAS. 93 (24), 13438-13444 (1996).
- Solomon, P. R., Vander Schaaf, E. R., Thompson, R. F., Weisz, D. J. Hippocampus and trace conditioning of the rabbit’s classically conditioned nictitating membrane response. Behav Neurosci. 100 (5), 729-744 (1986).
- Moyer, J. R., Deyo, R. A., Disterhoft, J. F. Hippocampectomy disrupts trace eye-blink conditioning in rabbits. Behav Neurosci. 104 (2), 243-252 (1990).
- Weiss, C., Bouwmeester, H., Power, J. M., Disterhoft, J. F. Hippocampal lesions prevent trace eyeblink conditioning in the freely moving rat. Behav Brain Res. 99 (2), 123-132 (1999).
- Weiss, C., Disterhoft, J. F. Exploring prefrontal cortical memory mechanisms with eyeblink conditioning. Behav Neurosci. 125 (3), 318-326 (2011).
- Aiba, A., et al. Deficient cerebellar long-term depression and impaired motor learning in mGluR1 mutant mice. Cell. 79 (2), 377-388 (1994).
- Skelton, R. W. Bilateral cerebellar lesions disrupt conditioned eyelid responses in unrestrained rats. Behav Neurosci. 102 (4), 586-590 (1988).
- Takehara, K., Kawahara, S., Takatsuki, K., Kirino, Y. Time-limited role of the hippocampus in the memory for trace eyeblink conditioning in mice. Brain Res. 951 (2), 183-190 (2002).
- Weiss, C., Disterhoft, J. F. Evoking blinks with natural stimulation and detecting them with a noninvasive optical device: A simple, inexpensive method for use with freely moving animals. J Neurosci Meth. 173, 108-113 (2008).
- Royer, S., et al. Control of timing, rate and bursts of hippocampal place cells by dendritic and somatic inhibition. Nature. 15 (5), 769-775 (2012).
- Goldey, G. J., et al. Removable cranial windows for long-term imaging in awake mice. Nature Protoc. 9 (11), 2515-2538 (2014).
- Lovett-Barron, M., et al. Dendritic inhibition in the hippocampus supports fear learning. Science. 343 (6173), 857-863 (2014).
- 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. Front in Integ Neurosci. 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. J Neurosci. 34 (45), 14845-14853 (2014).
- Siegel, J. J., et al. Trace Eyeblink Conditioning in Mice is Dependent upon the Dorsal Medial Prefrontal Cortex, Cerebellum, and Amygdala: Behavioral Characterization and Functional Circuity. eNeuro. , (2015).
- Galvez, R., Weiss, C., Cua, S., Disterhoft, J. A novel method for precisely timed stimulation of mouse whiskers in a freely moving preparation: application for delivery of the conditioned stimulus in trace eyeblink conditioning. J Neurosci Meth. 177 (2), 434-439 (2009).
- Gruart, A., Sánchez-Campusano, R., Fernández-Guizán, A., Delgado-Garcìa, J. M. A Differential and Timed Contribution of Identified Hippocampal Synapses to Associative Learning in Mice. Cereb Cortex. , (2014).
- Weiss, C., et al. Impaired Eyeblink Conditioning and Decreased Hippocampal Volume in PDAPP V717F Mice. Neurobiol Dis. 11 (3), 425-433 (2002).
- Galvez, R., Weiss, C., Weible, A. P., Disterhoft, J. F. Vibrissa-signaled eyeblink conditioning induces somatosensory cortical plasticity. J Neurosci. 26 (22), 6062-6068 (2006).
- Galvez, R., Weible, A. P., Disterhoft, J. F. Cortical barrel lesions impair whisker-CS trace eyeblink conditioning. Learn & Memory. 14 (1), 94-100 (2007).
- Johnson, K. R., Zheng, Q. Y., Erway, L. C. A Major Gene Affecting Age-Related Hearing Loss Is Common to at Least Ten Inbred Strains of Mice. Genomics. 70 (2), 171-180 (2000).
- Tseng, W., Guan, R., Disterhoft, J. F., Weiss, C. Trace eyeblink conditioning is hippocampally dependent in mice. Hippocampus. 14 (1), 58-65 (2004).
- Joachimsthaler, B., Brugger, D., Skodras, A., Schwarz, C. Spine loss in primary somatosensory cortex during trace eyeblink conditioning. J Neurosci. 35 (9), 3772-3781 (2015).
- Boele, H. J. Cerebellar and extracerebellar involvement in mouse eyeblink conditioning: the ACDC model. Front in Cell Neurosci. 3 (19), (2010).
- 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. J Neurophysiol. 88 (4), 2124-2133 (2002).
- Ward, R. L., Flores, L. C., Disterhoft, J. F. Infragranular barrel cortex activity is enhanced with learning. J Neurophysiol. 108 (5), 1278-1287 (2012).
