Een flexibel platform voor het monitoren van cerebellum-afhankelijk sensorisch associatief leren

Sensorische associatieve leerparadigma's hebben veel onthuld over de functie van het cerebellum en de relatie met de rest van de hersenen en gedrag. Met behulp van de muis als een modelorganisme presenteren we een methode met voldoende detail voor laboratoria over de hele wereld om deze krachtige methoden effectief en goedkoop te implementeren. Ons protocol stelt onderzoekers in staat om meerdere cerebellum-afhankelijke gedragingen op te zetten.

De kernfuncties van ons onderzoeksplatform kunnen gemakkelijk worden aangepast aan een bepaalde onderzoeksvraag. Sluit om te beginnen de seriële interfacekabel van de camera aan op de camera en de camerapoort op de SBC. Download vervolgens het besturingssysteem voor de SBC naar de hostcomputer en maak een bestand met de naam ssh in de microSD-kaart.

Verwijder de microSD-kaart uit het hostapparaat. Plaats het in de SBC microSD-kaartsleuf en schakel de SBC uit. Om vervolgens de SBC voor te bereiden op het accepteren van een bekabelde verbinding met de host, opent u een terminal, typt u de opdracht ifconfig "en neemt u het Ethernet IP-adres van de SBC op.

Ga vervolgens naar het tabblad Interface van de Raspberry Pi-configuratie-instelling en schakel de opties voor camera, SSH en VNC in. Voor het tot stand brengen van de bekabelde verbinding sluit u een Ethernet-kabel aan op de Ethernet-poort op de SBC en een hostcomputer en sluit u het andere uiteinde van deze kabels aan op een Ethernet-switch. Vervolgens opent u met behulp van een virtuele netwerkcomputerclient, zoals VNC, het bureaublad met behulp van het SBC IP-adres en de standaardverificatie.

Download vervolgens de vereiste software en de benodigde Python-bibliotheken naar de SBC. Om directe controle over de microcontroller mogelijk te maken, downloadt u de geïntegreerde ontwikkelomgeving voor microcontrollers of IDE-software. Open vervolgens een SBC-terminalvenster, navigeer naar de map Downloads en installeer de IDE.

Nadat u de IDE van de microcontroller hebt geopend, selecteert u Extra, gevolgd door Bibliotheken beheren en installeert u de encoderbibliotheek van Paul Stoffregen. Plaats ten slotte een USB-stick in een USB-poort op de SBC en voer de opdrachten in voor het monteren van het externe USB-opslagapparaat. Nadat u de SBC hebt aangesloten op de programmeerpoort van de microcontroller, opent u de downloadschets met de microcontroller-IDE en uploadt u deze naar de microcontroller.

Download en installeer vervolgens de juiste versie van de Arduino IDE op de hostcomputer. Download dan de DTSC_US. ino schets naar de host computer.

Sluit de USB A-naar-USB B-draad aan op de hostcomputer en microcontroller. Open de schets en upload deze naar de microcontroller. Bevestig draden aan het breadboard, leds, roterende encoder, stappenmotor met driver en magneetventiel met driver van de microcontroller.

Sluit vervolgens een kanaal van een voeding aan op de positieve V- en GND-pinnen van de stappenmotordriver. Nadat u de voeding hebt ingeschakeld, stelt u de aangesloten kanaalspanning in op 25 volt. Verbind vervolgens het positieve lood van een voeding naar de magneetklepdriver hold-voltage pin en de andere positieve lead naar de spike-voltage pin.

Nadat u de voeding hebt ingeschakeld, stelt u het kanaal dat is aangesloten op piekspanning in op 12 volt en het kanaal dat is aangesloten op de wachtspanning op 2,5 volt. Sluit vervolgens een luchtbron aan die wordt gereguleerd met een druk van 20 pond per vierkante inch op de magneetklep. Om vervolgens het loopwiel te maken, snijdt u een wiel van drie inch uit een foamroller en boort u een gat van een kwart inch in het exacte wielcentrum.

Steek vervolgens een as van een kwart inch in het wiel en bevestig deze op zijn plaats met behulp van klemnaven. Bevestig de roterende encoder op een 4,5-inch aluminium kanaal. Stabiliseer vervolgens het aluminium kanaal op het aluminium breadboard.

Nadat u het wiel aan de roterende encoder hebt bevestigd, stabiliseert u de vrije zijde van de wielas met een lager dat in een haakse eindklem is geplaatst, geïnstalleerd op een op breadboard gemonteerde optische paal. Plaats vervolgens de hoofdsteunen met behulp van optische palen en haakse paalklemmen. Plaats vervolgens de voorwaardelijke stimulus-LED en de magneetklepuitlaat voor de DEC onvoorwaardelijke stimulus rond het geassembleerde wiel.

Monteer vervolgens de stappenmotor die wordt gebruikt voor de DTSC onvoorwaardelijke stimulus en Pi Camera op een optische paal. Plaats de infrarood lichtarray aan dezelfde kant als de Pi Camera, iets boven en direct naar de plaats waar het gezicht van het dier zal worden geplaatst. Maak een tactiele stimulus voor vertraagde tactiele schrikconditionering door schuim aan de rand van een stuk acryl te plakken.

Monteer op een as van een kwart inch met behulp van een klemnaaf en bevestig vervolgens de tactiele stimulus aan de as van de stappenmotor. Om een hoofdplaat te implanteren, verdooft u de muis en maakt u vervolgens een incisie met een scalpel langs de middellijn van de hoofdhuid, van de achterrand van de ogen tot de schedel. Spreid de incisie open en klem beide zijden vast met hemostaten om deze open te houden.

Bevestig met behulp van cyanoacrylaatlijm de hoofdplaat aan de schedel. Breng vervolgens een mix van tandcementpoeder, oplosmiddel en katalysator aan op alle gebieden van blootgesteld bot. Hecht de huid dicht, achter en voor de kopplaat.

Injecteer vervolgens postoperatieve analgesie, terwijl de muis gedurende ten minste vijf dagen kan herstellen. Om de muizen voor te bereiden op gedragssessies, laat ze wennen aan het platform door ze in de hoofdsteun te monteren. Zorg er vóór de sessie voor dat de magneetklepuitlaat is gecentreerd op het doeloog, op minder dan een centimeter afstand is geplaatst en dat de tactiele stimulus is gecentreerd op de neus van de muis, op ongeveer 1,5 centimeter afstand.

Voor dtsc-sessievoorbereiding start u de GUI vanaf een SBC-terminal. Voer een testsessie van drie proefversies uit en zorg ervoor dat de geregistreerde gegevens die naar de terminal worden afgedrukt, een doorbuiging van meer dan 20, maar minder dan 100 stappen vertonen. Als u een sessie wilt uitvoeren, koppelt u een muis aan de hoofdsteun en start u de GUI vanaf de SBC-terminal.

Als u camera-opnamen wilt opslaan, drukt u op de knop Streamen voordat u de sessie start. Voer identificerende informatie voor het dier in het veld Dier-ID in en druk op de knop Instellen. Voer vervolgens de gewenste experimentparameters in en druk op de knop Uploaden naar Arduino".

Druk ten slotte op Sessie starten om de sessie te starten. DEC trainingsresultaten van een opnamesessie met acceptabele verlichting worden hier getoond. De acceptabele verlichtingsomstandigheden resulteerden in een goed contrast tussen het oog en de perioculaire vacht.

De prestaties van een enkele muis die acht sessies lang was getraind, vertoonden gedragssporen, zonder geconditioneerde respons in de ongetrainde muis, en robuuste geconditioneerde reacties zodra de muis is getraind. Een voorbeeld van een proefvideo toont een getrainde muis die met succes zijn oog sluit als reactie op de LED-voorwaardelijke stimulus, terwijl de ongetrainde muis niet knippert tot de onvoorwaardelijke stimulus. De geconditioneerde respons neemt toe in omvang en frequentie door gedragssessies die gedurende dagen worden uitgevoerd.

Suboptimale lichtomstandigheden beperken de kwaliteit van de verkregen gegevens ernstig. Wanneer het contrast tussen het oog en de omringende vacht laag is, kunnen kleine veranderingen in het beeld de opgenomen vorm van de ongeconditioneerde respons gedurende een enkele sessie aanzienlijk veranderen en de signaal-ruisverhouding voor het detecteren van de ooglidpositie verlagen. DTSC-trainingsresultaten voor een muis die gedurende vijf sessies is getraind, worden hier gepresenteerd.

Een voorbeeld van een proefvideo toont een getrainde muis die met succes het wiel ondersteunt als reactie op de LED-voorwaardelijke stimulus, terwijl een ongetrainde muis het wiel niet beweegt totdat de tactiele onvoorwaardelijke stimulus wordt toegepast. De frequentie en amplitude van de geconditioneerde respons nemen toe naarmate de training vordert. In een cohort van dieren getraind met een onvoorwaardelijke stimulus die ongeconditioneerde reacties met een lage amplitude produceerde, leerde geen enkel dier om consequent geconditioneerde reacties te produceren na vier dagen training.

Voor succesvol gedrag is het comfort van het dier tijdens het rennen op het tuig van cruciaal belang. Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat het wiel vrij en gelijkmatig draait voordat dieren aan het tuig wennen. Met behulp van dit flexibele platform hebben we met succes de activiteit van Purkinje-neuronen, de outputcellen van het cerebellum, tijdens het leren in hoofd-gefixeerde dieren in beeld gebracht en verstoord.