Uma plataforma flexível para monitorar o aprendizado associativo sensorial dependente do cerebellum
Summary
Desenvolvemos uma única plataforma para rastrear o comportamento animal durante duas tarefas de aprendizagem associativa dependentes de fibras. O design de baixo custo permite a integração com experimentos optogenéticos ou de imagem direcionados à atividade cerebelar associada à fibra.
Abstract
As entradas de fibra de escalada para as células Purkinje fornecem sinais instrutivos críticos para o aprendizado associativo dependente do cerebelo. Estudar esses sinais em camundongos fixos na cabeça facilita o uso de métodos de imagem, eletrofisiológico e optogenético. Aqui, foi desenvolvida uma plataforma comportamental de baixo custo (~US$ 1000) que permite o rastreamento do aprendizado associativo em ratos fixos que locomotem livremente em uma roda de corrida. A plataforma incorpora dois paradigmas comuns de aprendizagem associativa: condicionamento de olho e condicionamento tátil retardado. O comportamento é rastreado usando uma câmera e o movimento da roda por um detector. Descrevemos os componentes e a configuração e fornecemos um protocolo detalhado para treinamento e análise de dados. Esta plataforma permite a incorporação de estimulação optogenética e imagens de fluorescência. O design permite que um único computador hospedeiro controle várias plataformas para treinar vários animais simultaneamente.
Introduction
O condicionamento pavloviano da associação subcaída entre estímulos para obter uma resposta condicionada tem sido usado há muito tempo para sondar o aprendizado dependente de cerebelar. Por exemplo, no condicionamento clássico de desintegação (DEC), os animais aprendem a fazer um piscar de proteção bem cronometrado em resposta a um estímulo condicional neutro (CS; por exemplo, um flash de luz ou tom auditivo) quando é emparelhado repetidamente com um estímulo incondicional (EUA; por exemplo, um sopro de ar aplicado à córnea) que sempre provoca um reflexo piscando, e que vem no final ou perto do CS. A resposta aprendida é referida como uma resposta condicionada (CR), enquanto a resposta reflexa é referida como a resposta incondicionada (UR). Em coelhos, lesões específicas de cerebelo interrompem essa forma de aprendizado 1,2,3,4. Além disso, os picos complexos de células Purkinje, impulsionados por suas entradasde fibra de escalada 5, fornecem um sinal necessáriode 6,7 e 8,9 suficientes para a aquisição de CRs devidamente cronometrado.
Mais recentemente, paradigmas de aprendizagem associativa dependentes de fibras foram desenvolvidos para ratos com fixação de cabeça. O DEC foi o primeiro paradigma de aprendizagem associativa a ser adaptado a essa configuração10,11. DEC em camundongos fixos na cabeça tem sido usado para identificar regiões cerebelares 11,12,13,14,15,16,17 e elementos de circuito11,1 2,13,14,15,18,19 que são necessários para aquisição e extinção de tarefas. Essa abordagem também tem sido usada para demonstrar como a representação fisiológica de nível celular dos parâmetros de tarefa evolui com o aprendizado 13,15,16.
Além do eyeblink, o paradigma de condicionamento tátil de início de partida (DTSC) foi recentemente desenvolvido como uma nova tarefa de aprendizagem associativa para ratos fixos na cabeça20. Conceitualmente semelhante ao DEC, o DTSC envolve a apresentação de um CS neutro com um US, um toque no rosto suficiente em intensidade para engajar um reflexo de medo 21,22 como ur. No paradigma DTSC, tanto a UR quanto a CR são lidas como locomoção retrógrada em uma roda. O DTSC tem sido usado agora para descobrir como o aprendizado associativo altera a atividade cerebelar e os padrões de expressão genética20.
Neste trabalho, foi desenvolvido um método para aplicar de forma flexível o DEC ou DTSC em uma única plataforma. Os atributos de estímulo e plataforma são esquematizados na Figura 1. O design incorpora a capacidade de rastrear o comportamento animal com uma câmera, bem como um codificador rotativo para rastrear a locomoção do rato em uma roda. Todos os aspectos da estrutura de registro e ensaio de dados são controlados por microcontroladores emparelhados (Arduino) e um computador de placa única (SBC; Raspberry Pi). Esses dispositivos podem ser acessados através de uma interface de usuário gráfica fornecida. Aqui, apresentamos um fluxo de trabalho para configuração, preparação e execução de experimentos e um pipeline de análise personalizado para visualização de dados.
Protocol
Representative Results
Discussion
A plataforma com protocolos associados aqui descritos pode ser usada para rastrear de forma confiável o comportamento animal em duas tarefas de aprendizagem associativa sensorial. Cada tarefa depende da comunicação intacta através da via de fibra de escalada. No design aqui descrito, incorporamos elementos para facilitar o aprendizado e gravação/perturbação da resposta cerebelar. Estes incluem uma roda para permitir locomoção gratuita 11,18, bem como fi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho é apoiado por subvenções dos Institutos Nacionais de Saúde Mental NRSA F32 MH120887-03 (para G.J.B.) e R01 NS045193 e R01 MH115750 (para S.S-H.W.). Agradecemos aos Drs. Bas Koekkoek e Henk-Jan Boele por discussões úteis para otimizar a configuração do DEC e os Drs. Yue Wang e Xiaoying Chen por discussões úteis para otimizar a configuração do DTSC.
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
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