منصة مرنة لمراقبة التعلم الترابطي الحسي المعتمد على المخيخ

كشفت نماذج التعلم الترابطي الحسي الكثير عن وظيفة المخيخ وعلاقته ببقية الدماغ ، والسلوك. باستخدام الفأر ككائن حي نموذجي ، نقدم طريقة بتفاصيل كافية للمختبرات في جميع أنحاء العالم لتنفيذ هذه الأساليب القوية بفعالية وبتكلفة زهيدة. سيسمح بروتوكولنا للباحثين بإعداد سلوكيات متعددة تعتمد على المخيخ.

يمكن تعديل الوظائف الأساسية لمنصتنا البحثية بسهولة لتناسب سؤالا بحثيا معينا. للبدء، قم بتوصيل كبل الواجهة التسلسلية للكاميرا بالكاميرا، ومنفذ الكاميرا على SBC. ثم قم بتنزيل نظام التشغيل الخاص ب SBC على الكمبيوتر المضيف ، وقم بإنشاء ملف يسمى ssh في بطاقة microSD.

قم بإخراج بطاقة microSD من الجهاز المضيف. أدخله في فتحة بطاقة SBC microSD ، وقم بتشغيل SBC. بعد ذلك ، لإعداد SBC لقبول اتصال سلكي بالمضيف ، افتح محطة طرفية ، واكتب الأمر ifconfig"وقم بتسجيل عنوان IP لشبكة Ethernet الخاصة ب SBC.

ثم انتقل إلى علامة التبويب الواجهة في إعداد تكوين Raspberry Pi ، وقم بتمكين خيارات الكاميرا و SSH و VNC. لإنشاء الاتصال السلكي، قم بتوصيل كبل Ethernet بمنفذ Ethernet على SBC وكمبيوتر مضيف، وقم بتوصيل الطرف الآخر من هذه الكابلات بمحول Ethernet. ثم، باستخدام عميل حوسبة شبكة ظاهرية، مثل VNC، قم بالوصول إلى سطح المكتب باستخدام عنوان IP SBC والمصادقة الافتراضية.

بعد ذلك ، قم بتنزيل البرامج المطلوبة ومكتبات Python الضرورية إلى SBC. للسماح بالتحكم المباشر في وحدة التحكم الدقيقة ، قم بتنزيل بيئة التطوير المتكاملة لوحدة التحكم الدقيقة ، أو برنامج IDE. ثم افتح نافذة محطة SBC الطرفية ، وانتقل إلى دليل التنزيلات ، وقم بتثبيت IDE.

بعد فتح IDE وحدة التحكم الدقيقة، حدد أدوات، متبوعا بإدارة المكتبات، وقم بتثبيت مكتبة Encoder من Paul Stoffregen. أخيرا ، أدخل محرك أقراص إبهام في منفذ USB على SBC ، وأدخل الأوامر الخاصة بتركيب جهاز التخزين الخارجي USB. بعد توصيل SBC بمنفذ البرمجة الخاص بوحدة التحكم الدقيقة ، افتح رسم التنزيل باستخدام IDE لوحدة التحكم الدقيقة ، وقم بتحميله إلى وحدة التحكم الدقيقة.

بعد ذلك ، قم بتنزيل الإصدار المناسب من Arduino IDE وتثبيته على الكمبيوتر المضيف. ثم قم بتنزيل DTSC_US. إينو رسم للكمبيوتر المضيف.

قم بتوصيل سلك USB A ب USB B بالكمبيوتر المضيف ووحدة التحكم الدقيقة. افتح الرسم التخطيطي وقم بتحميله إلى وحدة التحكم الدقيقة. قم بتوصيل الأسلاك بلوح الخبز الخاص بوحدة التحكم الدقيقة ، ومصابيح LED ، وبرنامج التشفير الدوار ، ومحرك السائر مع برنامج التشغيل ، وصمام الملف اللولبي مع برنامج التشغيل.

ثم قم بتوصيل قناة واحدة من مصدر الطاقة بمسامير V و GND الإيجابية لسائق محرك السائر. بعد تشغيل مصدر الطاقة ، اضبط جهد القناة المرفقة على 25 فولت. بعد ذلك ، قم بتوصيل الرصاص الإيجابي لمصدر الطاقة إلى دبوس الجهد المثبت لسائق صمام الملف اللولبي ، ويؤدي الإيجابي الآخر إلى دبوس الجهد المرتفع.

بعد تشغيل مصدر الطاقة ، اضبط القناة المتصلة بجهد الارتفاع على 12 فولت ، والقناة المتصلة بجهد الانتظار على 2.5 فولت. ثم قم بتوصيل مصدر هواء منظم بضغط 20 رطلا لكل بوصة مربعة بصمام الملف اللولبي. بعد ذلك ، لجعل عجلة الجري ، قم بقطع عجلة مقاس ثلاث بوصات من بكرة رغوة ، وحفر ثقب ربع بوصة في مركز العجلة بالضبط.

ثم أدخل عمودا بحجم ربع بوصة في العجلة ، وقم بتثبيته في مكانه باستخدام محاور اللقط. قم بتثبيت جهاز التشفير الدوار على قناة ألومنيوم مقاس 4.5 بوصة. ثم قم بتثبيت قناة الألومنيوم على لوح الألومنيوم.

بعد توصيل العجلة بجهاز التشفير الدوار ، قم بتثبيت الجانب الحر من عمود العجلة باستخدام محمل يتم إدخاله في مشبك نهاية قائم الزاوية ، مثبت على عمود بصري مثبت على لوح الخبز. بعد ذلك ، ضع مساند الرأس باستخدام الأعمدة البصرية والمشابك ذات الزاوية اليمنى. ثم ضع مؤشر LED للتحفيز الشرطي ومخرج صمام الملف اللولبي للتحفيز غير المشروط DEC حول العجلة المجمعة.

بعد ذلك ، قم بتركيب محرك السائر المستخدم في التحفيز غير المشروط DTSC وكاميرا Pi على منشور بصري. ضع صفيف ضوء الأشعة تحت الحمراء على نفس جانب كاميرا Pi ، أعلى قليلا ويواجه مباشرة حيث سيتم وضع وجه الحيوان. قم بعمل حافز لمسي لتأخير تكييف الدهشة عن طريق اللمس عن طريق ربط الرغوة على حافة قطعة من الأكريليك.

قم بالتركيب على عمود طوله ربع بوصة باستخدام محور تثبيت ، ثم قم بتوصيل الحافز اللمسي بعمود محرك السائر. لزرع صفيحة رأس ، قم بتخدير الماوس ، ثم قم بعمل شق باستخدام مشرط على طول خط الوسط لفروة الرأس ، من الحافة الخلفية للعينين إلى الجمجمة. انشر الشق مفتوحا ، وقم بتثبيت كلا الجانبين باستخدام مرقئ لإبقائه مفتوحا.

باستخدام الغراء cyanoacrylate ، نعلق لوحة الرأس على الجمجمة. ثم ضع مزيجا من مسحوق أسمنت الأسنان والمذيب والمحفز على جميع مناطق العظام المكشوفة. خياطة الجلد مغلقة ، خلف وأمام لوحة الرأس.

ثم حقن مسكن ما بعد الجراحة ، مع السماح للفأر بالتعافي لمدة خمسة أيام على الأقل. لإعداد الفئران لجلسات السلوك ، اسمح لها بالتعود على المنصة عن طريق تركيبها في مسند الرأس. قبل الجلسة ، تأكد من أن مخرج صمام الملف اللولبي يتمركز على العين المستهدفة ، ويتم وضعه على بعد أقل من سنتيمتر واحد ، ويتمركز الحافز اللمسي على أنف الماوس ، على بعد حوالي 1.5 سم.

لإعداد جلسة DTSC، ابدأ تشغيل واجهة المستخدم الرسومية من محطة SBC. قم بتشغيل جلسة اختبار لثلاث تجارب ، وتأكد من أن البيانات المسجلة التي تطبع إلى المحطة الطرفية تظهر انحرافا أكبر من 20 ، ولكن أقل من 100 خطوة. لتشغيل جلسة عمل، قم بتركيب ماوس على مسند الرأس وابدأ تشغيل واجهة المستخدم الرسومية من محطة SBC.

لحفظ تسجيلات الكاميرا، اضغط على زر البث قبل بدء الجلسة. أدخل معلومات التعريف الخاصة بالحيوان في حقل معرف الحيوان ، واضغط على الزر تعيين. ثم أدخل معلمات التجربة المطلوبة ، واضغط على زر تحميل إلى Arduino.

وأخيرا، اضغط على بدء الجلسة لبدء الجلسة. يتم عرض نتائج تدريب DEC من جلسة تسجيل مع إضاءة مقبولة هنا. أدت ظروف الإضاءة المقبولة إلى تباين جيد بين العين والفراء حول العين.

أظهر أداء ماوس واحد تم تدريبه لمدة ثماني جلسات آثارا سلوكية ، مع عدم وجود استجابة مشروطة في الماوس غير المدرب ، واستجابات مشروطة قوية بمجرد تدريب الماوس. يظهر مقطع فيديو تجريبي نموذجي فأرا مدربا يغلق عينه بنجاح استجابة للتحفيز الشرطي LED ، بينما لا يومض الماوس غير المدرب حتى التحفيز غير المشروط. تزداد الاستجابة المشروطة في الحجم والتكرار من خلال الجلسات السلوكية التي يتم إجراؤها عبر الأيام.

تحد ظروف الإضاءة دون المستوى الأمثل بشدة من جودة البيانات التي يتم الحصول عليها. عندما يكون التباين بين العين والفراء المحيط منخفضا ، يمكن للتغيرات الطفيفة في الصورة أن تغير بشكل كبير الشكل المسجل للاستجابة غير المشروطة خلال جلسة واحدة ، وتقلل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء للكشف عن موضع الجفن. يتم عرض نتائج تدريب DTSC لماوس تم تدريبه لمدة خمس جلسات هنا.

يظهر مقطع فيديو تجريبي نموذجي فأرا مدربا يدعم العجلة بنجاح استجابة للتحفيز الشرطي LED ، بينما يفشل الماوس غير المدرب في تحريك العجلة حتى يتم تطبيق الحافز غير المشروط عن طريق اللمس. يزداد تواتر وسعة الاستجابة المشروطة مع استمرار التدريب. في مجموعة من الحيوانات المدربة على حافز غير مشروط أنتج استجابات غير مشروطة منخفضة السعة ، لم يتعلم أي إنتاج استجابات مشروطة باستمرار بعد أربعة أيام من التدريب.

للسلوك الناجح ، فإن راحة الحيوان أثناء الجري على جهاز الحفر أمر بالغ الأهمية. من المهم التأكد من أن العجلة تدور بحرية وبالتساوي قبل تعويد الحيوانات على الحفارة. باستخدام هذه المنصة المرنة ، نجحنا في تصوير وإزعاج نشاط الخلايا العصبية Purkinje ، وهي خلايا إخراج المخيخ ، أثناء التعلم في الحيوانات الثابتة الرأس.