本文介绍的头固定小鼠胡须信号瞬目条件反射制备方法,可在允许小鼠在圆柱形跑轮上自由行走的同时,精确刺激特定胡须。将胡须刺激作为条件刺激(CS),与眼周电击非条件刺激(US)配对,可在该装置上实现可靠的联想学习。
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本文介绍的头固定小鼠胡须信号瞬目条件反射制备方法,可在允许小鼠在圆柱形跑轮上自由行走的同时,精确刺激特定胡须。将胡须刺激作为条件刺激(CS),与眼周电击非条件刺激(US)配对,可在该装置上实现可靠的联想学习。
眨眼条件反射是研究学习与记忆神经机制的常用范式。为了更好地利用现有的大量细胞水平研究学习与记忆的科学方法,拥有一个稳定的颅骨平台非常理想。由于小鼠通常难以耐受束缚,因此通常在它们于实验箱内自由活动时进行训练。条件刺激(CS)和非条件刺激(US)信息通过连接到小鼠头部的束缚线缆传递,并记录眨眼反应。在本文介绍的头部固定装置中,小鼠可在头部被固定的条件下按其意愿自由奔跑,从而便于实验操作。使用该训练装置可实现可靠的眨眼反应条件化,该装置支持以胡须刺激作为条件刺激(CS),以眼周电刺激作为非条件刺激(US),并通过分析眼睑的肌电图(EMG)活动来检测眨眼反应。
眨眼条件反射是一种经典条件反射形式,也是研究联想学习与记忆神经机制的模型系统。该现象已在多种物种中得到研究,包括人类、兔子、猫、大鼠和小鼠。该实验范式包含两个配对呈现的刺激:一个中性的条件刺激(CS;例如,声音、闪光或胡须刺激),以及一个显著的非条件刺激(US;例如,对眼部的气流刺激或眼周电击)。非条件刺激会引发一种非条件性的、反射性的眨眼反应(即,UR)。经过多次CS与US的配对呈现后,受试者逐渐学会将条件刺激与非条件刺激关联起来。这种学习表现为条件反应(CR)的出现,即仅由条件刺激单独引发、且发生在非条件刺激呈现之前的眨眼反应。
痕迹性眨眼条件反射包括一个数 hundred 毫秒的无刺激间歇期,该间歇期将条件刺激(CS)和非条件刺激(US)分隔开(图1)。由于痕迹性条件反射需要个体意识到刺激之间的关联性,因此它属于陈述性学习的一种形式1。这一时间间隔要求动物在大脑前脑区域(如海马)中保留CS的神经“痕迹”,从而使US与CS建立关联1-6。除了前脑区域外,痕迹性条件反射还依赖于小脑的功能7。
因此,眨眼条件反射是研究记忆多个方面的有用范式,包括习得、巩固和提取。在进行眨眼条件反射实验期间,对照组动物会以随机顺序接受非配对刺激,以检测是否存在伪条件作用或敏感化反应,这些反应可能仅由非条件刺激的呈现引起,而非由条件刺激与非条件刺激之间的习得性关联所致。
一种常用于啮齿类动物眨眼条件反射研究的装置是训练过程中允许动物在其中自由活动的实验箱8-10通常,这种装置的套管会连接到固定在啮齿类动物颅骨上的头件。套管可用于传递非条件刺激(有时也包括条件刺激),并传输动物对这些刺激的反应即, 眨眼反应10系绳本身可根据所施加刺激的类型以及眼睑眨眼反应的记录方式进行调整。
使用"自由活动"的头固定小鼠进行眨眼条件反射实验的原因在于,小鼠会对束缚产生挣扎行为。尽管其他物种可能更易于固定,但在眨眼条件反射实验中使用小鼠的主要优势在于,目前大多数可用的基因修饰突变品系均为小鼠品系。除了挣扎之外,对小鼠进行完全束缚还会导致急性应激反应。一种能够最大限度减少应激的头固定小鼠制备方法,将有助于在眨眼条件反射过程中获取更多生理学信息。例如,该系统可用于实现通过双光子显微镜对皮层神经元进行成像11。
在以往的实验中,头固定装置已被用于通过可拆卸颅骨植入物对大脑皮层进行光学成像、利用四极电极阵列对啮齿类动物脑组织进行体内电生理记录、双光子钙成像,以及作为小鼠眨眼条件反射训练的平台11-16。
在固定头部系统中,可在不完全限制小鼠活动的情况下确保可靠的刺激和记录(图2)。将类似于自由活动系统中使用的头件固定在小鼠颅骨上。训练期间,该头件连接至固定在圆柱形跑步机上方横杆上的连接器,以稳定啮齿类动物的头部(图2A)。该圆柱形跑步机允许小鼠舒适地休息,同时若小鼠愿意,也可进行行走或奔跑。利用此系统,可使用胡须振动作为条件刺激(CS),以轻度眶周电刺激作为非条件刺激(US)对小鼠进行训练(图1)。US通过手术植入眼侧皮下的导线传递。CS则通过一个连接至双层矩形弯曲致动器的梳状装置传递(图2B)。该梳状装置和弯曲致动器随后被固定于磁性底座上,在训练过程中将其移至适当位置,并针对每只动物调整至最佳刺激位置。梳状装置的位置应跨置于选定的胡须上。在传递CS期间,信号被发送至弯曲致动器,使其带动梳状装置位移,从而引起胡须振动17。
其他刺激,如声音或闪光,在过去已被用作小鼠中有效的条件刺激16,18,19选择胡须刺激作为本实验范式中条件刺激(CS)的原因在于,啮齿类动物在探索过程中依赖其触须获取躯体感觉信息输入。研究表明,胡须刺激是一种可靠且有效的条件刺激。20此外,鉴于触须系统具有明确且有序的皮层基础(即,桶状皮层),以触须刺激作为条件刺激,为研究与习得性瞬眼条件反射相关的皮层变化和可塑性提供了一种巧妙的工具20,21固定头部系统可实现对选定的触须进行精确刺激,从而比较受刺激神经元与接收非刺激触须输入的神经元之间的反应。最后,许多品系的小鼠在相对年轻的成年期即表现出与年龄相关的听力下降。22,且条件化眨眼过程中的眼睑闭合会改变视觉条件刺激(尽管视觉条件刺激可缓解惊跳反应方面的问题)16)。胡须刺激不受上述任一并发症的影响。
本文介绍了一种对其他固定头部条件下眨眼条件反射制备方法的重要且独特的改进,包括条件刺激(CS)和非条件刺激(US)的递送方法,以及眨眼反应的获得过程。该装置及训练范式的可靠性通过条件化小鼠的学习曲线以及伪条件化对照动物相对平坦的学习曲线得以验证(图7A)。
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所有涉及小鼠的操作均依照美国国立卫生研究院发布的指南,并根据西北大学机构动物护理和使用委员会批准的方案进行。
1. 圆柱体(图2A)
2. 组装微须刺激系统(图2B)
3. 组装安装在气缸上方杆件上的连接器(图 2C、2E)
注意:该连接器是一个3D打印的7孔条带,其模型源自Weiss和Disterhoft以及Galvez等人使用的Amphenol 221系列尼龙条带等10,17。
4. 准备头部组件(图 2D、2E)
注:头件条带是一种3D打印的7孔条带,其模型源自Weiss和Disterhoft以及Galvez等人使用的Amphenol 221系列尼龙条带等10,17,该部件目前已不再商业化生产。打印机文件可从本期刊网站下载。
5. 手术准备(图 2F)
6. 将小鼠放置于圆筒上并进行训练(图 2G)
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8至10周龄雄性C57Bl6/J小鼠在固定头部的圆柱形跑步机装置上进行痕迹性瞬目条件反射训练。其中8只小鼠接受配对的条件刺激(CS)与非条件刺激(US)呈现(条件化组),9只小鼠接受非配对的CS与US呈现(假条件化组)。
显示了一只经条件化处理的小鼠产生条件化反应的典型肌电图记录 图3 和 4每次试验的肌电图记录均经过整流,并以10毫秒的时间常数进行积分。 图5 显示了每只小鼠在10个实验阶段中,条件刺激(A)和伪条件刺激(B)两种情况下,所有试验中整流并积分后的EMG反应轨迹的平均结果。条件反应的演变过程可见于 图 5A,且反应在接近US出现时逐渐增强。这种变化在伪条件化反应中未观察到 图5B.
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经典的眨眼条件反射是一种关联学习形式,是研究学习与记忆神经基础的有用工具。以往在小鼠等啮齿类动物中进行眨眼条件反射实验时,通常使用允许动物自由活动的实验箱。而采用 Chettih et al. 和 Heiney et al. 所描述、并由 Siegel et al. 最近应用于光诱发的痕迹型眨眼条件反射实验中的装置,建立了一种头固定的小鼠眨眼条件反射准备方法,具有多项优势,例如可实现过去无法开展或受限的某些实验操作(如 in vivo 双光子钙成像)14-16。此类准备方法还便于结合其他技术,例如使用四电极阵列进行 in vivo 电生理记录。由于小鼠在被束缚时容易产生应激反应,该头固定装置的设计旨在固定头部的同时,尽量减少对动物的束缚程度。尽管该准备方法允许小鼠在圆柱形跑步机上自由行走,但也有研究者成功地在固定平台上的头固定小鼠中采集到了行为数据24。
然而,在使用头部固定圆筒系统时会出现一些问题。一个问题是,当最初将未经训练的小鼠放置在圆筒上时,...
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作者声明不存在任何竞争性经济利益。
本工作由美国国防部(W81XWH-13-01-0243)和美国国立卫生研究院(R37 AG008796)资助。我们感谢西北大学机械加工车间的 Alan Baker 制作了固定头部的圆筒装置。我们感谢 Shoai Hattori 博士在 MATLAB 和 Solidworks 方面提供的指导。我们感谢 John Power 博士提供的用于控制实验的 LabView 软件。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
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| 有机玻璃(Plexiglas) | 定制;厚度1 cm | ||
| 金属棒(直径12.7 mm) | 定制 | ||
| 4-40 机械螺钉(长0.25 英寸) | Amazon Supply | B00F33Q8QO | 用于圆柱体 |
| 经典设计发梳 | Conair | 93505WG-320 | 用于胡须刺激 |
| 双层矩形弯曲致动器 | Piezo Systems | T220-A4-303X | 用于胡须刺激 |
| 焊料和助焊剂套件 | Piezo Systems | MSF-003-NI | 用于胡须刺激 |
| 磁性底座 | Thor Labs | MB175 | 用于胡须刺激 |
| 磁性底座用螺纹杆 | 定制 | ||
| 基于Electronic Connector Corp.的221系列尼龙条连接器的条带 | 定制,参考Weiss和Disterhoft,2008年 | ||
| TO-220型晶体管 | Amazon Supply | B0002ZPZYO | 用于连接器;用于翼片 |
| Relia-Tac 插座 | Electronic Connector Corp. | 220-S02 | 用于连接器 |
| Relia-Tac 插针 | Electronic Connector Corp. | 220-P02 | 用于头件 |
| 0-80不锈钢机械螺钉(长1英寸) | Amazon Supply | B000FN68EE | 锁紧螺钉 |
| 0-80不锈钢机械螺钉六角螺母(厚5/32英寸) | Amazon Supply | B000N2TK7Y | 锁紧螺钉头 |
| Loctite 超级胶水-液体 | Loctite | 1365896 | 氰基丙烯酸胶;用于锁紧螺钉 |
| 快干环氧树脂 | Ace Hardware | 18613 | 用于连接器和胡须刺激系统 |
| 以太网电缆导线 | 可拆分以太网电缆,使用其中单根导线作为连接器导线 | ||
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| 未涂层不锈钢导线(直径0.005 英寸) | AM Systems | 792800 | 用于头件,接地导线 |
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| 放大器 | A-M Systems | 1700 | 用于滤波和放大肌电图(EMG)信号的放大器 |
| WPI A385R 刺激隔离器 | World Precision Instruments | 31405 | 用于电刺激 |
| Isothesia(异氟烷) | Henry Schein: 动物健康 | 50031 | 用于手术;麻醉剂 |
| Buprenex 注射用CIII类药品 | Reckett Benckiser Pharmaceuticals Inc | NDC 12496-0757-1 | 用于手术;镇痛剂 |
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| 酒精消毒垫 | 可从任何标准药店购买 | ||
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