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Articolo metodologico

Una piattaforma flessibile per il monitoraggio dell'apprendimento associativo sensoriale dipendente dal cervelletto

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DOI:

10.3791/63205

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19 gennaio 2022

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In questo articolo

Sommario

Abbiamo sviluppato un'unica piattaforma per tracciare il comportamento degli animali durante due attività di apprendimento associativo dipendenti dalla fibra di arrampicata. Il design a basso costo consente l'integrazione con esperimenti optogenetici o di imaging diretti verso l'arrampicata dell'attività cerebellare associata alle fibre.

Abstract

Gli input di fibre rampicanti alle cellule di Purkinje forniscono segnali istruttivi critici per l'apprendimento associativo dipendente dal cervelletto. Lo studio di questi segnali in topi fissi facilita l'uso di metodi di imaging, elettrofisiologici e optogenetici. Qui, è stata sviluppata una piattaforma comportamentale a basso costo (~ $ 1000) che consente il monitoraggio dell'apprendimento associativo in topi fissi a testa che locomotano liberamente su una ruota da corsa. La piattaforma incorpora due paradigmi di apprendimento associativo comuni: il condizionamento dell'eyeblink e il condizionamento dello startle tattile ritardato. Il comportamento viene monitorato utilizzando una telecamera e il movimento della ruota da un rilevatore. Descriviamo i componenti e la configurazione e forniamo un protocollo dettagliato per la formazione e l'analisi dei dati. Questa piattaforma consente l'incorporazione della stimolazione optogenetica e dell'imaging a fluorescenza. Il design consente a un singolo computer host di controllare più piattaforme per addestrare più animali contemporaneamente.

Introduzione

Il condizionamento pavloviano dell'associazione sub-seconda tra stimoli per suscitare una risposta condizionata è stato a lungo utilizzato per sondare l'apprendimento cerebellare-dipendente. Ad esempio, nel classico condizionamento ritardato dell'occhio (DEC), gli animali imparano a fare un battito di ciglia protettivo tempestivo in risposta a uno stimolo condizionale neutro (CS; ad esempio, un lampo di luce o un tono uditivo) quando è accoppiato ripetutamente con uno stimolo incondizionato (US; ad esempio, un soffio d'aria applicato alla cornea) che provoca sempre un battito di ciglia riflesso, e che arriva alla fine o vicino alla fine del CS. La risposta appresa è ....

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Protocollo

I protocolli sugli animali qui descritti sono stati approvati dai comitati per la cura e l'uso degli animali dell'Università di Princeton.

1. Impostazione del CFS

  1. Collegare il cavo CSI (Camera Serial Interface) alla telecamera Raspberry NoIR V2 e alla porta della telecamera sull'SBC.
  2. Scaricare il sistema operativo per l'SBC sul computer host. Scrivere l'immagine del sistema operativo su una scheda micro secure digital (microSD).
    NOTA: le istruzioni dettagliate per queste procedure per un SBC Raspberry Pi sono disponibili altrove23. Il sistema è stato testato utilizzando i segue....

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Risultati

Flusso di lavoro per esperimenti e analisi DEC
Una corretta selezione dei parametri sperimentali è importante per il successo dell'allenamento di condizionamento ritardato dell'occhio (DEC). Per i dati qui presentati, la GUI è stata utilizzata per scegliere una durata CS di 350 ms e una durata STATUNITENSE di 50 ms. Questo accoppiamento si traduce in un intervallo inter-stimolo di 300 ms: abbastanza lungo da prevenire la produzione di CR a bassa ampiezza10 e abbastanza breve da.......

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Discussione

La piattaforma con i protocolli associati qui descritti può essere utilizzata per tracciare in modo affidabile il comportamento animale in due attività di apprendimento associativo sensoriale. Ogni compito dipende dalla comunicazione intatta attraverso il percorso in fibra di arrampicata. Nel progetto qui descritto, incorporiamo elementi per facilitare l'apprendimento e la registrazione / perturbazione della risposta cerebellare. Questi includono una ruota per consentire la locomozione libera

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno conflitti di interesse da divulgare.

Ringraziamenti

Questo lavoro è supportato da sovvenzioni del National Institutes of Mental Health NRSA F32 MH120887-03 (a G.J.B.) e R01 NS045193 e R01 MH115750 (a S.S-H.W.). Ringraziamo i dottori Bas Koekkoek e Henk-Jan Boele per le discussioni utili per l'ottimizzazione della configurazione DEC e i dottori Yue Wang e Xiaoying Chen per le discussioni utili per ottimizzare la configurazione DTSC.

....

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Base rapida "B" per C & B METABOND - Flacone da 10 mLParkellS398Solvente per cemento dentale
"C" Catalizzatore TBB universale - 0,7 mLParkellS371Catalizzatore
#8 RondelleThorlabsW8S038Rondelle
0,250" (1/4") x 8,00" Albero di precisione in acciaio inossidabileServocity634172albero da 1/4"
0,250" (0,770") Mozzo di serraggioServocity545588Mozzo di serraggio
Accoppiatore per albero a vite da 1/4" a 6 mm - Confezione da 5Actobotics625106Manicotto di accoppiamento albero
1/4"-20 Viti a testa cilindrica, 3/4" LongThorlabsSH25S075Bullone da 1/4"
100 pezzi 5 mm 395– 400 nm UV ultravioletto LED luce emettitore diodo chiaro lente rotonda 29 mm cavo lungo (DC 3V) LED luci +100 pz resistoriEDGELEC‎ ED_YT05_U_100PcsCS LED
Cavo da 2 m Micro HDMI a DVI-D - M/M - Cavo da 2 m Micro HDMI a DVI - 19 pin HDMI (D) Maschio a DVI-D Maschio - 1920 x 1200 VideoStar-tech‎ HDDDVIMM2MRaspberry Pi4B al cavo monitor
256 GB Ultra Fit USB 3.1 Flash DriveSanDisk‎ SDCZ430-256G-G46Chiavetta USB
3,3 V... 5 V 4 canali Convertitore di livello logico Modulo cambio bidirezionaleAmazonB00ZC6B8VMTraslatore di livello logico
32 GB 95 MB/s (U1) microSDHC EVO Select Scheda di memoriaSamsung‎ Scheda microSD MB-ME32GA/AM
Canale in alluminio da 4,50"Servocity585444Canale in alluminio da 4,5"
CCTV Ir Illuminatore per visione notturna a infrarossiTowallmarkSODIALArray di luce a infrarossi
4 pezzi Il kit breadboard include 2 breadboard da 830 punti 2 pezzi da 400 punti per la distribuzione Proto Shield Blocchi di collegamentoREXQualisB07DL13RZHBreadboard
Switch di rete Ethernet non gestito Gigabit a 5 porteTP-Link‎ TL-SG105Switch Ethernet
5 V 2.5 A Raspberry Pi 3 B+ Alimentatore/AdattatoreCanakit‎ DCAR-RSP-2A5Alimentatore per Raspberry Pi 3B+
5-0 ETHILON NERO 1 x 18" C-3Ethicon668GSuture
6 mm Albero Encoder 2000 PPR Pushpull Line Driver Uscita universale Uscita Line Driver 5-26 V dc AlimentazioneCalt  B01EWER68IEncoder rotativo
Ø Perno ottico da 1/2", SS, vite di fermo 8-32, maschio da 1/4"-20, L = 1", confezione da 5perni otticiThorlabsTR1-P5
Ø Perno ottico da 1/2", SS, vite di fermo 8-32, maschio da 1/4"-20, L = 2", confezione da 5perni otticiThorlabsTR2-P5
Ø Perno ottico da 1/2", SS, vite di fermo 8-32, maschio da 1/4"-20, L = 4", confezione da 5perni otticiThorlabsTR4-P5
Ø Perno ottico da 1/2", SS, vite di fissaggio 8-32, rubinetto da 1/4"-20, L = 6", confezione da 5perni otticiThorlabsTR6-P5
Ø Supporto per palo da 1/2", vite a testa zigrinata con bloccaggio esagonale caricato a molla, L = 2"ThorlabsPH2Supporto per palo ottico
Adattatore-062-M X LUER LOCK-FThe Lee Co.TMRA3201950ZAdattatore luer per elettrovalvola
Rullo in schiuma Aeromat Dimensioni: 36" LunghezzaAeromatB002H3CMUERullo in schiuma
Breadboard in alluminio 10" x 12" x 1/2", 1/4"-20 RubinettiThorlabsMB1012Breadboard in alluminio
Amazon Basics Cavo adattatore da HDMI a DVI, nero, 6 piedi, confezione da 1AmazonHL-007347Raspberry Pi3B+ per monitorare il cavo
Arduino  Uno R3ArduinoA000066Arduino Uno (scheda microcontrollore)
Arduino DueArduino‎ A000062Arduino Due (scheda microcontrollore)
Alimentatore da banco, singolo, regolabile, 3 uscite, 0 V, 24 V, 0 A, 2 ATenma72-8335AAlimentatore
Lastra acrilica colata trasparente resistente ai graffi e ai raggi UV, 12" x 24" x 1/8"McMaster Carr8560K257Piastra acrilica
Driver per motori passo-passo CNC 1.0– 4.2 A 20– Risoluzioni a 50 V CC 1/128 Micro-Step per motori passo-passo Nema 17 e 23Driver per motori passo-passoonlineB06Y5VPSFN
Regolatore compatto per aria compressa, scarico in linea, alloggiamento in ottone, 1/4 NPTMcMaster Carr6763K13Regolatore della sorgente d'aria
Cotton SwabPuritan806-WCCotton fioc
Dell 1908FP Monitor a schermo piatto da 19" Dell 1908FPC - 1908FPCDell1908FPCCavo flessibile per monitor
Raspberry PiAdafruit2144cavo di interfaccia seriale per fotocamera
Motore passo-passo bipolare Nema 17 ad alta coppia 92 oz· in/65 N· cm 2.1 A Motore estrusorepasso-passo Online17HS24-2104SMotore passo-passo
IsofluranoHenry Schein66794001725Isoflurano
Krazy Maximum Bond Colla permanente, 0.18 oz.Krazy GlueKG483Colla cianoacrilica
Lidocaina HClVetOne510212Lidocaina
Dado esagonale in acciaio a bassa resistenza, grado 2, zincato, filettatura 1/4"-20 McMasterCarr90473A029Dadi
M3 x 50 mm Chiavi esagonali parzialmente filettate Viti a testa cilindrica 10 pzUxcellA16040100ux1380Bullone M3
NEMA 17 Supportoper motore passo-passoACTOBOTICS555152Supporto per motore passo-passo
Alimentatore ufficiale Raspberry Pi 5,1 V 3 A con USB C - 1,5 m di lunghezzaAdafruit4298Alimentatore per Raspberry Pi 4B
Optixcare Dog & Gel lubrificante lubrificante Cat Eye, tubo da 0,70 onceOptixcare142422Unguento oftalimico
Cuscinetto a sfere di precisione in acciaio inossidabile, schermato, codice commerciale R188-2Z, 13000 giri/min Velocità massimaMcMaster-Carr3759T57Cuscinetto
Premium Cavi per ponticelli femmina/femmina - 40 x 6"Adafruit266fili
Cavi per ponticelli di "estensione" Premium femmina/maschio - 40 x 6" (150 mm)Adafruit826Fili
Premium Maschio/Maschio Ponticelli - 40 x 6"Adafruit758Fili
Radiopaco L-Powder per C& B METABOND - 5 gParkellS396Polvere di cemento dentale
Raspberry Pi (3B+ o 4B)Adafruit3775 o 4295Raspberry Pi
Raspberry Pi NoIR Modulo fotocamera V2 - 8MP 1080P30Raspberry Pi FoundationRPI3-NOIR-V2Raspberry NoIR V2
Staffa ad angolo retto, 1/4" (M6) Svasatura Staffa, 8-32 RubinettiThorlabsAB90EStaffa
ad angolo rettoMorsetto ad angolo retto per Ø 1/2" Alberi, 3/16" HexThorlabsRA90Morsetto ottico ad angolo retto
Morsetto terminale ad angolo retto per Ø 1/2 "Post, 1/4" -20 perno e 3/16" esagonaleThorlabsRA180morsetto terminale ad angolo retto
RJ45 Cat-6 Ethernet Patch Internet Cavo Amazon‎ CAT6-7FT-5P-BLUCavo Ethernet
Morsetto rotante per Ø 1/2" Post, 360° Regolabile in continuo, 3/16" esagonaleThorlabsSWCMorsetti ottici rotanti
Spike & Tenere il driver-0.1 A 5 MSThe Lee Co.IECX0501350ADriver per elettrovalvola
Adattatore base girevoleThorlabsUPHAAdattatore per supporto per palo
Cavo USB 2.0 A-Maschio a Micro B, 6 piediAmazon‎ 7T9MV4Cavo micro da USB2 tipo A a USB2
Cavo per stampante USB 2.0 - Da A-Maschio a B-Maschio, 6 piedi (1,8 m)AmazonB072L34SZSCavo da USB2 tipo B a USB2 tipo A
VHS-M/SP-12 VThe Lee Co.INKX0514900AElettrovalvola
in acciaio zincato 1/4" rondella, OD 1.000"Rondelle McMaster Carr91090A108
per fotocamera

Riferimenti

  1. McCormick, D. A., Lavond, D. G., Clark, G. A., Kettner, R. E., Rising, C. E., Thompson, R. F. The engram found? Role of the cerebellum in classical conditioning of nictitating membrane and eyelid responses. Bulletin of the Psychonomic Society. 18 (3), 103-105 (1981).
  2. McCormick, D. A., Clark, G. A., Lavond, D. G., Thompson, R. F.

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