Мы разработали единую платформу для отслеживания поведения животных во время двух альпинистских ассоциативных учебных задач. Недорогая конструкция позволяет интегрироваться с оптогенетическими или визуальными экспериментами, направленными на восхождение на волокнистую мозжечковую активность.
Подъем волоконных входов в клетки Пуркинье обеспечивает поучительные сигналы, критически важные для ассоциативного обучения, зависящего от мозжечка. Изучение этих сигналов у мышей с фиксированной головой облегчает использование методов визуализации, электрофизиологических и оптогенетических методов. Здесь была разработана недорогая поведенческая платформа (~$1000), которая позволяет отслеживать ассоциативное обучение у мышей с фиксированной головой, которые свободно перемещаются на ходовом колесе. Платформа включает в себя две общие ассоциативные парадигмы обучения: кондиционирование моргания глаз и отсроченное тактильное обусловливание испуга. Поведение отслеживается с помощью камеры, а движение колеса – детектором. Мы описываем компоненты и настройку, а также предоставляем подробный протокол для обучения и анализа данных. Эта платформа позволяет включать оптогенетическую стимуляцию и флуоресцентную визуализацию. Конструкция позволяет одному хост-компьютеру управлять несколькими платформами для обучения нескольких животных одновременно.
Павловское обусловливание субсекундной связи между стимулами для получения условного ответа уже давно используется для зондирования мозжечково-зависимого обучения. Например, при классическом обусловливании задержки моргания глаз (DEC) животные учатся делать своевременное защитное моргание в ответ на нейтральный условный стимул (CS; например, вспышка света или слуховой тон), когда он многократно сочетается с безусловным стимулом (США; например, затяжка воздуха, приложенная к роговице), которая всегда вызывает рефлекторное моргание, и который приходит в конце или ближе к концу CS. Выученный ответ называется условным ответом (CR), в то время как рефлекторный ответ называется безусловным ответом (UR). У кроликов мозжечкоспецифические поражения нарушают эту форму обучения 1,2,3,4. Кроме того, шипы клеточного комплекса Пуркинье, приводимые в движение их подъемными волоконными входами5, обеспечивают необходимый сигнал 6,7 и достаточныйсигнал 8,9 для получения правильно синхронизированных CR.
Совсем недавно для мышей с фиксированной головой были разработаны парадигмы ассоциативного обучения, зависящие от волокон. DEC была первой ассоциативной парадигмой обучения, адаптированной к этой конфигурации10,11. DEC у мышей с фиксированной головой была использована для идентификации мозжечковыхобластей 11,12,13,14,15,16,17 и элементов цепи11,1 2,13,14,15,18,19 которые необходимы для приобретения и уничтожения задач. Этот подход также был использован для демонстрации того, как физиологическое представление параметров задачи на клеточном уровне развивается с обучением 13,15,16.
В дополнение к морганию глаз, парадигма отсроченного тактильного кондиционирования испуга (DTSC) была недавно разработана в качестве новой ассоциативной учебной задачи для мышей с фиксированной головой20. Концептуально похожий на DEC, DTSC включает в себя представление нейтрального CS с США, нажатие на лицо, достаточное по интенсивности, чтобы задействовать рефлекс испуга21,22 в качестве UR. В парадигме DTSC и UR, и CR считываются как обратная локомоция на колесе. В настоящее время DTSC используется для раскрытия того, как ассоциативное обучение изменяет мозжечковую активность и паттерны экспрессии генов20.
В этой работе был разработан метод гибкого применения DEC или DTSC в единой платформе. Атрибуты стимула и платформы схематизированы на рисунке 1. Конструкция включает в себя возможность отслеживать поведение животных с помощью камеры, а также поворотный энкодер для отслеживания передвижения мыши на колесе. Все аспекты регистрации данных и структуры испытаний контролируются парными микроконтроллерами (Arduino) и одноплатным компьютером (SBC; Малина Пи). Доступ к этим устройствам можно получить через предоставленный графический интерфейс пользователя. Здесь мы представляем рабочий процесс для настройки, подготовки и выполнения эксперимента, а также настраиваемый конвейер анализа для визуализации данных.
Платформа с соответствующими протоколами, описанными здесь, может быть использована для надежного отслеживания поведения животных в двух сенсорных ассоциативных учебных задачах. Каждая задача зависит от неповрежденной связи через альпинистский волоконный путь. В дизайн, описанный з…
The authors have nothing to disclose.
Эта работа поддерживается грантами Национальных институтов психического здоровья NRSA F32 MH120887-03 (для G.J.B.) и R01 NS045193 и R01 MH115750 (для S.S-H.W.). Мы благодарим докторов Баса Куккука и Хенка-Яна Боле за полезные обсуждения по оптимизации настройки DEC, а также докторов Юэ Вана и Сяоина Чена за полезные обсуждения по оптимизации настройки DTSC.
"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 |