Name: Rejestrowanie potencjałów czynnościowych pojedynczych neuronów od swobodnie poruszających się gołębi na trzech etapach uczenia się (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-06-02T13:45:00.000+00:00
Duration: 11 min 20 s
Description: Poznaj metodę rejestracji potencjałów czynnościowych pojedynczych neuronów u gołębi podczas zadania dyskryminacji wizualnej obejmującego nabycie, wygasanie i ponowne nabycie odpowiedzi warunkowych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

To badanie było wspierane przez granty Niemieckiej Fundacji Badawczej (DFG) dla MCS (FOR 1581, STU 544/1-1) i OG (FOR 1581, SFB 874). Strona internetowa DFG znajduje się pod adresem http://www.dfg.de/en/index.jsp. Fundatorzy nie odgrywali żadnej roli w projektowaniu badania, gromadzeniu i analizie danych, podejmowaniu decyzji o publikacji lub przygotowaniu manuskryptu. Autorzy dziękują Thomasowi Seidenbecherowi za dostarczenie nam protokołu pozłacania, a także Tobiasowi Otto za pomoc w ustawieniu elektrofizjologicznego sprzętu rejestrującego.

<ol><li>Bingman, V. P., Gasser, B. A., Colombo, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Responses+of+pigeon+%28Columba+livia%29+wulst+neurons+during+acquisition+and+reversal+of+a+visual+discrimination+task%5BTitle%5D)+AND+%22Behav+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Responses of pigeon (Columba livia) wulst neurons during acquisition and reversal of a visual discrimination task.</a> Behav Neurosci. 122, 1139-1147 (2008).</li>
<li>Herry, C., Ciocchi, S., Senn, V., Demmou, L., Müller, C., Lüthi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Switching+on+and+off+fear+by+distinct+neuronal+circuits%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Switching on and off fear by distinct neuronal circuits.</a> Nature. 454, 600-606 (2008).</li>
<li>Quirk, G. J., Repa, C., LeDoux, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fear+conditioning+enhances+short-latency+auditory+responses+of+lateral+amygdala+neurons%3A+parallel+recordings+in+the+freely+behaving+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Fear conditioning enhances short-latency auditory responses of lateral amygdala neurons: parallel recordings in the freely behaving rat.</a> Neuron. 15, 1029-1039 (1995).</li>
<li>Quirk, G. J., Armony, J. L., Ledoux, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Components+of+Tone-Evoked+Spike+Trains+in+Auditory+Cortex+and+Lateral+Amygdala%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Components of Tone-Evoked Spike Trains in Auditory Cortex and Lateral Amygdala.</a> Neuron. 19, 613-624 (1997).</li>
<li>Maren, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Auditory+fear+conditioning+increases+CS-elicited+spike+firing+in+lateral+amygdala+neurons+even+after+extensive+overtraining%5BTitle%5D)+AND+%22Eur+J+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Auditory fear conditioning increases CS-elicited spike firing in lateral amygdala neurons even after extensive overtraining.</a> Eur J Neurosci. 12, 4047-4054 (2000).</li>
<li>Milad, M. R., Quirk, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neurons+in+medial+prefrontal+cortex+signal+memory+for+fear+extinction%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Neurons in medial prefrontal cortex signal memory for fear extinction.</a> Nature. 420, 713-717 (2002).</li>
<li>Hobin, J. A., Goosens, K. A., Maren, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Context-dependent+neuronal+activity+in+the+lateral+amygdala+represents+fear+memories+after+extinction%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Context-dependent neuronal activity in the lateral amygdala represents fear memories after extinction.</a> J Neurosci. 23, 8410-8416 (2003).</li>
<li>Maren, S., Hobin, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hippocampal+regulation+of+context-dependent+neuronal+activity+in+the+lateral+amygdala%5BTitle%5D)+AND+%22Learn+Mem%22%5BJournal%5D)">Hippocampal regulation of context-dependent neuronal activity in the lateral amygdala.</a> Learn Mem. 14, 318-324 (2007).</li>
<li>Knapska, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Differential+involvement+of+the+central+amygdala+in+appetitive+versus+aversive+learning%5BTitle%5D)+AND+%22Learn+Mem%22%5BJournal%5D)">Differential involvement of the central amygdala in appetitive versus aversive learning.</a> Learn Mem. 13, 192-200 (2006).</li>
<li>Harloe, J. P., Thorpe, A. J., Lichtman, A. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Differential+endocannabinoid+regulation+of+extinction+in+appetitive+and+aversive+Barnes+maze+tasks%5BTitle%5D)+AND+%22Learn+Mem%22%5BJournal%5D)">Differential endocannabinoid regulation of extinction in appetitive and aversive Barnes maze tasks.</a> Learn Mem. 15, 806-809 (2008).</li>
<li>Gray, C. M., Maldonado, P. E., Wilson, M., McNaughton, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tetrodes+markedly+improve+the+reliability+and+yield+of+multiple+single-unit+isolation+from+multi-unit+recordings+in+cat+striate+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">Tetrodes markedly improve the reliability and yield of multiple single-unit isolation from multi-unit recordings in cat striate cortex.</a> J Neurosci Methods. 63, 43-54 (1995).</li>
<li>Lewicki, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+of+methods+for+spike+sorting%3A+the+detection+and+classification+of+neural+action+potentials%5BTitle%5D)+AND+%22Network%22%5BJournal%5D)">A review of methods for spike sorting: the detection and classification of neural action potentials.</a> Network. 9, (1998).</li>
<li>Skinner, B. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((34%3BSuperstition%26%2334%3B+in+the+pigeon%5BTitle%5D)+AND+%22J+Exp+Psychol%22%5BJournal%5D)">34;Superstition&#34; in the pigeon.</a> J Exp Psychol. 121, 273-274 (1948).</li>
<li>Herrnstein, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Relative+and+absolute+strength+of+response+as+a+function+of+frequency+of+reinforcement%5BTitle%5D)+AND+%22J+Exp+Anal+Behav%22%5BJournal%5D)">Relative and absolute strength of response as a function of frequency of reinforcement.</a> J Exp Anal Behav. 4, 267-272 (1961).</li>
<li>Brown, P. L., Jenkins, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Auto-shaping+of+the+pigeon%27s+key-peck%5BTitle%5D)+AND+%22J+Exp+Anal+Behav%22%5BJournal%5D)">Auto-shaping of the pigeon's key-peck.</a> J Exp Anal Behav. 11, 1-8 (1968).</li>
<li>Epstein, R., Kirshnit, C. E., Lanza, R. P., Rubin, L. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((34%3BInsight%26%2334%3B+in+the+pigeon%3A+antecedents+and+determinants+of+an+intelligent+performance%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">34;Insight&#34; in the pigeon: antecedents and determinants of an intelligent performance.</a> Nature. 308, 61-62 (1984).</li>
<li>Mazur, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Varying+initial-link+and+terminal-link+durations+in+concurrent-chains+schedules%3A+a+comparison+of+three+models%5BTitle%5D)+AND+%22Behav+Processes%22%5BJournal%5D)">Varying initial-link and terminal-link durations in concurrent-chains schedules: a comparison of three models.</a> Behav Processes. 66, 189-200 (2004).</li>
<li>Herrnstein, R. J., Loveland, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Complex+visual+concept+in+the+pigeon%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Complex visual concept in the pigeon.</a> Science. 146, 549-551 (1964).</li>
<li>Stüttgen, M. C., Yildiz, A., Güntürkün, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adaptive+criterion+setting+in+perceptual+decision+making%5BTitle%5D)+AND+%22J+Exp+Anal+Behav%22%5BJournal%5D)">Adaptive criterion setting in perceptual decision making.</a> J Exp Anal Behav. 96, 155-176 (2011).</li>
<li>Stüttgen, M. C., Kasties, N., Lengersdorf, D., Starosta, S., Güntürkün, O., Jäkel, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Suboptimal+criterion+setting+in+a+perceptual+choice+task+with+asymmetric+reinforcement%5BTitle%5D)+AND+%22Behav+Processes%22%5BJournal%5D)">Suboptimal criterion setting in a perceptual choice task with asymmetric reinforcement.</a> Behav Processes. 96, 59-70 (2013).</li>
<li>Rose, J., Otto, T., Dittrich, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Biopsychology-Toolbox%3A+a+free%2C+open-source+Matlab-toolbox+for+the+control+of+behavioral+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">The Biopsychology-Toolbox: a free, open-source Matlab-toolbox for the control of behavioral experiments.</a> J Neurosci Methods. 175, (2008).</li>
<li>Bilkey, D. K., Muir, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+low+cost%2C+high+precision+subminiature+microdrive+for+extracellular+unit+recording+in+behaving+animals%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">A low cost, high precision subminiature microdrive for extracellular unit recording in behaving animals.</a> J Neurosci Methods. 92, 87-90 (1999).</li>
<li>Bilkey, D. K., Russell, N., Colombo, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+lightweight+microdrive+for+single-unit+recording+in+freely+moving+rats+and+pigeons%5BTitle%5D)+AND+%22Methods%22%5BJournal%5D)">A lightweight microdrive for single-unit recording in freely moving rats and pigeons.</a> Methods. 30, 152-158 (2003).</li>
<li>Gallistel, C. R., Gibbon, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time%2C+rate%2C+and+conditioning%5BTitle%5D)+AND+%22Psychol+Rev%22%5BJournal%5D)">Time, rate, and conditioning.</a> Psychol Rev. 107, 289-344 (1993).</li>
<li>Starosta, S., Güntürkün, O., Stüttgen, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stimulus-response-outcome+coding+in+the+pigeon+nidopallium+caudolaterale%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Stimulus-response-outcome coding in the pigeon nidopallium caudolaterale.</a> PLoS One. 8, (2013).</li>
<li>McNaughton, B. L., O'Keefe, J., Barnes, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+stereotrode%3A+a+new+technique+for+simultaneous+isolation+of+several+single+units+in+the+central+nervous+system+from+multiple+unit+records%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">The stereotrode: a new technique for simultaneous isolation of several single units in the central nervous system from multiple unit records.</a> J Neurosci Methods. 8, 391-397 (1983).</li>
<li>Hill, D. N., Mehta, S. B., Kleinfeld, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quality+metrics+to+accompany+spike+sorting+of+extracellular+signals%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Quality metrics to accompany spike sorting of extracellular signals.</a> J Neurosci. 31, 8699-8705 (2011).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Protokół ten opisuje złożone zadanie behawioralne odpowiednie dla jednoczesnych nagrań pojedynczej jednostki. Opisaliśmy zadanie SIFC dla gołębi, ale można je łatwo dostosować do gryzoni, wymagając szturchania nosem lub naciskania dźwigni zamiast dziobania i zastępując wzrokowe bodźcami węchowymi, słuchowymi lub dotykowymi.
Być może najbardziej krytycznymi krokami podczas procedury treningowej są: 1) stopniowe zmniejszanie prawdopodobieństwa nagrody i 2) zwiększanie liczby prób. Jeśli chodzi o...

Uczenie się nowych powiązań bodziec-reakcja-wynik angażuje szeroki zakres procesów plastyczności neuronalnej. Procesy te są ostatecznie odzwierciedlone w zmieniającej się wydajności skoków poszczególnych neuronów. Prawdopodobnie jednym z najczęściej stosowanych paradygmatów uczenia się jest warunkowanie strachu Pawłowa prowadzone na gryzoniach. W tym otoczeniu nabycie i wygaśnięcie reakcji warunkowej odbywa się w ciągu kilkudziesięciu prób2. Szybki rozwój uwarunkowanego strachu może być korzystny, ponieważ pozwala na prowadzenie dużej liczby zwierząt w krótkim czasie. Również nabycie i wyginięcie można zaobserwować w ciągu kilkudziesięciu prób w ciągu jednego dnia u zwierząt naiwnych3,4 lub rozłożonych na 2 do 3 dni2,5-8. Jednak spostrzeżenia uzyskane na temat zmian aktywności neuronalnej podczas uczenia się w tych eksperymentach niekoniecznie mają zastosowanie poza domeną warunkowania strachu. Na przykład zachowanie ukierunkowane na cel, napędzane przez pozytywne wzmocnienie, jest bardziej adekwatnie modelowane przez instrumentalne, a nie Pawłowskie procedury warunkowania i może częściowo zależeć od różnych substratów neuronalnych9,10. Również warunkowanie strachu rozwija się tak szybko, że reakcje neuronalne na CS można zaobserwować tylko przez kilkadziesiąt prób, co nakłada poważne ograniczenia na analizę zmian aktywności neuronalnej podczas uczenia się.
Niestety, nabycie i wyginięcie reagującego instrumentanta trwa zwykle wiele dni. Jest to szkodliwe dla badań neurofizjologicznych, ponieważ niezwykle trudno jest rejestrować aktywność pojedynczych komórek przez więcej niż kilka godzin. Ze względu na duże podobieństwo przebiegów zewnątrzkomórkowo zarejestrowanych potencjałów czynnościowych, problematyczne jest twierdzenie, że skoki zarejestrowane jednego dnia są generowane z tej samej komórki, co skoki o podobnych przebiegach zarejestrowane w następnym11,12, szczególnie w obszarach o dużej gęstości komórek, takich jak hipokamp.
Aby rozwiązać te problemy, opracowaliśmy nowatorski paradygmat behawioralny, wykorzystujący 3 warunki uczenia się podczas jednej eksperymentalnej sesji jednego dnia. Wymaga to, aby zwierzę doświadczalne było gotowe do przeprowadzenia setek prób w różnych warunkach, przy cienkim harmonogramie wzmacniania. Gołębie pocztowe (Columbia livia forma domestica) są klasycznymi organizmami modelowymi w psychologii eksperymentalnej13-17. Ptaki te są w stanie dokonywać złożonych dyskryminacjiwzrokowych18, potrafią elastycznie dostosowywać zachowanie do zmieniających się sytuacji związanych ze wzmocnieniem19,20 i są wyjątkowo zapalonymi pracownikami, wykonując 1000 prób przy minimalnej ilości wzmocnienia. Te cechy sprawiają, że są one szczególnie odpowiednie do eksperymentów opisanych poniżej.

<table><tbody><tr><td>Drut oporowy (do stosowania jako elektrody)</td><td>California Fine Wire, Grover Beach, CA, USA</td><td></td><td>Stablohm 675; druty nichromowe powlekane formvarem (średnica zewnętrzna 25 i mikro; m)</td></tr> <tr><td>Mikrozłącza</td><td>Ginder Scientific, Nepean, Ontario, Kanada</td><td></td><td>GS18PLG-220 (wtyczka) & GS18SKT-220 (gniazdo do budowy sceny czołowej)</td></tr><tr><td>Kaniule</td><td>Henke Sass Wolf, Tuttlingen, Niemcy</td><td></td><td>0,4 x 20 mm / 27 Gx3/4"</td></tr><tr><td>Złoty roztwór do powlekania</td><td>Neuralynx, Bozeman, MT, USA</td><td></td><td>SIFCO Process Gold Non-Cyanide, Code 5355</td></tr><tr><td>Roztwór do kąpieli ultradźwiękowej</td><td>Alconox, Inc., Nowy Jork, USA</td><td>1304</td><td>Tergazyme</td></tr><tr><td>Klej przewodzący</td><td>Henkel Loctite</td><td></td><td>LOCTITE 3888 Wypełnione srebrem, przewodzące, adhezyjne</td></tr><tr><td>ze stali nierdzewnej</td><td>J.I. Morris, Southbridge, MA, USA</td><td></td><td>F0CE125 miniaturowe wkręty samogwintujące, długość korpusu 1/8 cala</td></tr><tr><td>Światłoutwardzalny cement dentystyczny</td><td>van der Ven Dental, Duisburg, Niemcy</td><td></td><td>Omniceram Evo Flow A2</td></tr><tr><td>Unit światłoutwardzalny</td><td>van der Ven Dental, Duisburg, Niemcy</td><td></td><td>Jovident Excelled 215 Curing Light (bezprzewodowa jednostka utwardzania światłem LED)</td></tr><tr><td>Wzmacniacze filtrów</td><td>npi electronic GmbH, Niemcy</td><td>DPA-2FS</td><td></td></tr><tr><td>Przetwornik A/D</td><td>Cambridge Electronic Design, Cambridge, Wielka Brytania</td><td>Power 1401</td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie Spike2</td><td>Cambridge Electronic Design, Cambridge, Wielka Brytania</td><td></td><td>Wersja 7.06a</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>The Mathworks, Natick, MA, USA</td><td></td><td>R2012a</td></tr></tbody></table>

rejestrowanie potencjałów czynnościowych pojedynczych neuronów od swobodnie poruszających się gołębi na trzech etapach uczenia się

Recording Single Neurons' Action Potentials from Freely Moving Pigeons Across Three Stages of Learning

Podczas gdy temat uczenia się wzbudził ogromne zainteresowanie zarówno wśród behawiorystów jak i neuronów, tylko stosunkowo niewielu badaczy zaobserwowało aktywność pojedynczego neuronu, gdy zwierzęta nabywają reakcję warunkową instrumentalnie lub gdy ta reakcja jest wygaszona. Ale nawet w tych przypadkach okresy obserwacji zwykle obejmują tylko jeden etap uczenia się, tj. przyswajanie lub wygaszanie, ale nie oba (wyjątki obejmują protokoły wykorzystujące uczenie odwrócone; patrz Bingman i wsp.1 dla przykładu). Jednak nabywanie i wymieranie pociągają za sobą różne mechanizmy uczenia się i dlatego oczekuje się, że będą im towarzyszyć różne typy i/lub loci plastyczności neuronalnej.
W związku z tym, opracowaliśmy paradygmat behawioralny, który wprowadza trzy etapy uczenia się w jednej sesji behawioralnej i który jest dobrze przystosowany do jednoczesnego rejestrowania potencjałów czynnościowych pojedynczych neuronów. Zwierzęta są szkolone w jednointerwałowym zadaniu wymuszonego wyboru, które wymaga mapowania każdej z dwóch możliwych reakcji wyboru na prezentację różnych nowych bodźców wizualnych (akwizycji). Po osiągnięciu wcześniej zdefiniowanego kryterium wydajności, jedna z dwóch odpowiedzi wyboru nie jest już wzmacniana (wygaśnięcie). Po pewnym spadku poziomu wydajności, prawidłowe reakcje są ponownie wzmacniane (reakcjonacja). Używając nowego zestawu bodźców w każdej sesji, zwierzęta mogą wielokrotnie przechodzić proces nabywania-wymierania-ponownego nabywania. Ponieważ wszystkie trzy etapy uczenia się zachodzą podczas jednej sesji behawioralnej, paradygmat ten jest idealny do jednoczesnej obserwacji gwałtownego wzrostu wydajności wielu pojedynczych neuronów. Używamy gołębi jako systemów modelowych, ale zadanie to można łatwo dostosować do każdego innego gatunku zdolnego do uczenia się warunkowej dyskryminacji.

Zachowanie
Rysunek 4A przedstawia wyniki behawioralne zwierzęcia w jednej przykładowej sesji. Poziom wykonania zadania przez zwierzę osiąga kryterium dla NS 2 w ciągu 180 prób (45 prezentacji bodźca) i wynosi blisko 100% dla NS 1 od samego początku. Taka strategia – najpierw odpowiadanie tym samym klawiszem na oba nowe bodźce, a następnie dostosowanie odpowiedzi dla jednego z bodźców – jest obserwowana niemal tak często, jak początkowe losowe odpowiadanie na oba NS. W tej sesji l...

Uczenie się nowych powiązań bodziec-reakcja angażuje szeroki zakres procesów neuronalnych, które ostatecznie znajdują odzwierciedlenie w zmianie wydajności skoków poszczególnych neuronów. Tutaj opisujemy protokół behawioralny pozwalający na ciągłą rejestrację aktywności pojedynczego neuronu, podczas gdy zwierzęta nabywają, wygaszają i ponownie nabywają warunkową reakcję w ciągu jednej sesji eksperymentalnej.

Rejestrowanie potencjałów czynnościowych pojedynczych neuronów od swobodnie poruszających się gołębi na trzech etapach uczenia się

While the subject of learning has attracted immense interest from both behavioral and neural scientists, only relatively few investigators have observed ...

Ogólnym celem następującego eksperymentu jest charakterystyka wzorców odpowiedzi pojedynczych neuronów podczas wykonywania przez obiekt badawczy zadania dyskryminacji wizualnej, obejmującego nabycie, wygaszenie i ponowne nabycie warunkowych reakcji. Najpierw doświadczony obiekt jest szkolony w emitowaniu jednej z dwóch możliwych odpowiedzi wyboru po prezentacji jednego z dwóch różnych bodźców wizualnych.Po tym, jak zwierzę zacznie niezawodnie wykonywać dyskryminację, odpowiadając na jeden z dwóch losowo wybranych bodźców, wzmocnienie przestaje być stosowane. Gdy uwarunkowana odpowiedź na ten bodziec ulegnie osłabieniu, odpowiedzi są ponownie wzmacniane w sposób ciągły, co prowadzi do szybkiego ponownego nabycia reakcji. Wyniki pokazują, że wzorce odpowiedzi poszczególnych neuronów stopniowo zmieniają się w czasie, gdy zwierzę wykonuje zadanie uczenia się.Główną zaletą tej techniki w stosunku do istniejących metod jest to, że różne etapy uczenia są realizowane podczas jednej sesji w ciągu zaledwie kilku godzin. Pozwala to na śledzenie potencjałów czynnościowych poszczególnych neuronów w trakcie procesu uczenia się. Metoda ta może dostarczyć informacji na temat mechanizmów leżących u podstaw adaptacyjnego zachowania operantnego na poziomie pojedynczej komórki.Aby rozpocząć auto kształtowanie, umieść gołębia w komorze testowej przygotowanej zgodnie z opisem w towarzyszącym protokole tekstowym. Następnie wyświetl pięciosekundowy wizualny bodziec inicjujący na środkowym klawiszu. Natychmiast po zakończeniu bodźca inicjującego lub po pojedynczym dziobnięciu klawisza reakcji, w zależności od tego, co nastąpi pierwsze, wyłącz podświetlenie klawisza i podaj nagrodę pokarmową poprzez aktywację podajnika pokarmu na dwie sekundy.Zachowaj dłuższy odstęp między próbami niż czas prezentacji bodźca. Czas ten ma ułatwić naukę. Bodziec inicjujący zostanie ponownie wykorzystany jako potwierdzenie inicjalizacji oraz klucz wyboru w końcowym zadaniu.Gdy zwierzę będzie reagować w co najmniej 85% prób, należy stopniowo skracać odstęp między próbami aż do 10 seconds oraz czas prezentacji do two seconds. Zwiększ liczbę odpowiedzi wymaganych do otrzymania wzmocnienia do trzech. Zwiększ całkowitą liczbę prób na dzień tak, aby trening zwierzęcia trwał około one hour.Powtarzaj te kroki treningowe dla lewego i prawego klawisza odpowiedzi, aż do momentu, gdy odpowiedź na bodziec inicjujący będzie uzyskiwana w sposób niezawodny dla wszystkich klawiszy. Przeplataj próby dla klawisza lewego, prawego i środkowego w sposób losowy; obecnie najpierw prezentuj bodziec inicjujący na środkowym klawiszu, a po uzyskaniu odpowiedzi prezentuj bodziec inicjujący na którymkolwiek z klawiszy bocznych. Nie wzmacniaj odpowiedzi na klawiszu środkowym.Losowo zmieniaj stronę wzmacnianych klawiszy z próby na próbę. Jeśli po pięciu sekundach nie wystąpi reakcja na klawisz środkowy, zakończ próbę. Ten etap treningu trwa około trzech dni po zainicjowaniu STI.Wprowadź dwa nowe bodźce, które w końcowym zadaniu będą służyć jako bodźce znane; powtórz kroki auto kształtowania z tymi bodźcami, aby uzyskać odpowiedź na bodźce znane. Trening z nowymi bodźcami zazwyczaj pozwala na uzyskanie poprawnych odpowiedzi w ciągu czterech dni. Podświetl tylko klawisz wyboru, który jest poprawny dla danego znanego bodźca.Ta faza treningu powinna trwać około jednego tygodnia, gdy podmiot zacznie reagować w sposób niezawodny, wybierając prawidłowy klawisz boczny w co najmniej 85% odpowiedzi. Należy wprowadzić próby z wolnym wyborem, w których podczas fazy wyboru podświetlone są oba klawisze boczne. Reakcja po prawidłowej stronie jest wzmacniana dostępem do pożywienia przez dwie sekundy.Błędne odpowiedzi są następowane przez zgaśnięcie świateł w pomieszczeniu na dwie sekundy. Jeśli w ciągu trzech sekund nie udzielono odpowiedzi, należy skonfigurować program tak, aby zakończył próbę i zrestartował interwał międzypróbny. Ta faza treningu powinna trwać około dwóch tygodni.Stopniowo zwiększaj odsetek prób z wolnym wyborem od 20% do 100% w trakcie treningu. Jeśli obiekt osiąga poprawność powyżej 90% w próbach z wolnym wyborem, zmniejsz prawdopodobieństwo nagrody za poprawne odpowiedzi do 0,5, zwiększając jednocześnie liczbę prób na sesję do 1000. Nie zmieniaj parametrów każdego dnia, lecz dobieraj je elastycznie.Zależnie od poziomu sprawności obiektu. Ta faza treningu trwa około czterech tygodni. Gołębie wykazują naturalną neofobię i będą niechętne do dziobania nieznanych bodźców.Należy zatem powtórzyć procedurę auto kształtowania dla szerokiego zakresu zróżnicowanych bodźców wizualnych. Po zakończeniu treningu można przeprowadzić końcowe zadanie wyboru siły w pojedynczym interwale z nowymi bodźcami w różnych warunkach wzmocnienia. Podczas etapu rozgrzewki pozwól badanemu wykonać 50 prób z zapoznanymi bodźcami.Aby zapobiec utracie motywacji do reagowania w fazie nabywania, w wszystkich fazach należy ustawić prawdopodobieństwo nagrody dla tych bodźców na wartość mniejszą niż jeden. Należy losowo przeplatać próby z prezentacją bodźców znanych i nowych, przypisać różne klawisze odpowiedzi jako poprawne dla dwóch nowych bodźców i wzmacniać każdą poprawną odpowiedź. Oblicz procent poprawnych odpowiedzi jako średnią kroczącą z ostatnich 120 prób.Proces nabywania uznaje się za zakończony, gdy skuteczność dla każdego nowego bodźca przekroczy 85% po przeprowadzeniu co najmniej 150 prób podczas etapu wygaszania. Należy zaprzestać wzmacniania poprawnych i karania błędnych reakcji na losowy nowy bodziec. Rozpocznij fazę rekwizycji po uzyskaniu poprawnej odpowiedzi.Odpowiedzi na bodziec wygaszenia spadną poniżej 60% i zwierzę ukończy łącznie co najmniej 150 prób w tej fazie. W etapie ponownego nabywania wzmacniaj poprawne i karz niepoprawne odpowiedzi na bodziec wygaszenia, analogicznie do procedury stosowanej w etapie nabywania. Zakończ sesję, gdy skuteczność dla tego bodźca przekroczy 85% i zwierzę wykona co najmniej 150 prób w tej fazie.Zaimplantuj elektrody. Gdy zwierzęta kilkukrotnie przejdą cały proces nabywania, wygaszania i ponownego nabywania reakcji, w każdej sesji zastosuj nową parę nowych bodźców i przesuń elektrody o co najmniej 125 µm lub o pół obrotu śruby napędowej przed rozpoczęciem. Jeśli nie zaobserwowano potencjałów czynnościowych o wystarczającym stosunku sygnału do szumu, przerwij sesję i umieść zwierzę w klatce macierzystej przed ponowną próbą następnego dnia.Korzystając z oprogramowania do analizy offline, należy zastosować filtr pasmowy dla wszystkich kanałów w zakresie od 500 do 5 000 hertz z gwałtownym spadkiem charakterystyki, wyodrębnić kolce (spikes) przy użyciu progów amplitudy, a następnie posortować je ręcznie za pomocą analizy głównych składowych. Własny kod MATLAB do sortowania wyników jest dostępny w serwisie MATLAB Central File Exchange. Dobrze wyizolowana pojedyncza jednostka powinna tworzyć wyraźnie oddzielony klaster.W przestrzeni głównych składowych nie występuje oznaka wielu jednostek, gdy wszystkie zarejestrowane długości fal są nałożone na siebie i przedstawione w formie mapy ciepła. Amplitudy kształtu fal szczytowych są rozłożone symetrycznie i wykazują stabilny zapis w trakcie całej sesji, co potwierdza niezmienna amplituda szczytu oraz brak lub bardzo niewielka liczba zdarzeń typu spike występujących w okresie refrakcji po poprzednim impulsie. Stosunek sygnału do szumu dla impulsu wynosi co najmniej dwa.Przeanalizuj offline surowe kanały pod kątem artefaktów związanych z ruchem i w razie potrzeby odrzuć odpowiednie kanały. Przetestuj obecność potencjalnych artefaktów elektrycznych występujących podczas dziobania klawiszy, badając histogram czasowy liczby impulsów (spike'ów) w stosunku do każdego zarejestrowanego dziobania klawisza.Artefakty wywołane dziobaniem będą widoczne jako pik w histogramie w czasie 50 milisekund, z zerem jako dodatkowym wykresem kontrolnym. Kształty fal wszystkich zdarzeń typu spike zarejestrowanych w ciągu 20 milisekund od kluczowego dziobania należy analizować osobno i porównywać je z kształtami fal spike wykrytymi poza tym oknem czasowym. Te dane behawioralne dla jednego zwierzęcia wykonującego zadanie wyboru wymuszonego z pojedynczym interwałem wykazują 100% poprawnych wyborów od początku treningu dla nowego bodźca jeden oraz osiągnięcie kryterium wydajności dla nowego bodźca dwa w ciągu 180 prób w tej sesji; nowy bodziec dwa został losowo wybrany do procesu wygaszania, co oznacza, że wszystkie wybory następujące po tym bodźcu nie są już nagradzane ani karane podczas wygaszania.Wydajność spada w przypadku bodźca wygaszania, ale pozostaje wysoka dla drugiego nowego bodźca. Poziom kryterium dla wygaszania zostaje osiągnięty w próbie 370, gdy odpowiedzi poprawne i błędne są ponownie wzmacniane i karane podczas ponownego nabywania. Kryterium wydajności na poziomie 85% zostaje osiągnięte w próbie 402.Wzorzec odpowiedzi jednej jednostki w jądrze bledym boczny zarejestrowano podczas wykonywania zadania przez zwierzę. Zadanie to wykazuje modulację odpowiedzi podczas prezentacji nowego bodźca. W fazie nabywania jednostki silnie reagują na nowy bodziec dwa.Na wczesnym etapie uczenia się obserwuje się niewielkie zmiany w częstotliwości wyładowań podczas faz wygaszania i ponownego nabywania. Odpowiedź na nowy bodziec jest również niewielka. Jedna podczas sesji.Inna jednostka reaguje podczas ruchów w prawo, ale nie w lewo, co sugeruje kodowanie sensoryczno-motoryczne. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo mieć dobrą wiedzę na temat tego, jak krok po kroku trenować zwierzęta do wykonywania końcowego zadania z wymuszonym wyborem z jednego przedziału czasowego (single interval forced choice) z dynamicznymi warunkami wzmocnienia. Technika ta utoruje drogę badaczom z dziedziny uczenia się i pamięci do badania reorganizacji sieci neuronalnych podczas różnych typów uczenia się na poziomie pojedynczej komórki.

recording-single-neurons-action-potentials-from-freely-moving-pigeons

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neuronauka

Rejestrowanie potencjałów czynnościowych pojedynczych neuronów u wolno poruszających się gołębi na trzech etapach uczenia się

Nieinwazyjne pomiary wzorców aktywności neuronalnej u zwierząt zachowujących swobodną aktywność uzyskuje się poprzez połączenie rejestracji neurofizjologicznych z szybką wideografią.

Rejestracja aktywacji obwodów neuronalnych u zwierząt w warunkach swobodnego zachowania

W niniejszym raporcie przedstawiamy w pełni zautomatyzowany i wysoce wszechstronny system umożliwiający jednoczesne badanie wielu zachowań poznawczych oraz rejestrację aktywności neuronów u gryzoni.

W pełni zautomatyzowany i wysoce wszechstronny system do badania wielorakich funkcji poznawczych i rejestracji aktywności neuronalnej u gryzoni

Ten film demonstruje zapis sygnałów mózgowych od swobodnie poruszającego się prosiaka. Głowa prosiąt jest czyszczona, a elektrody są mocowane. Elektrody te są następnie podłączane do jednostki telemetrycznej. Zestaw jest zabezpieczony gumą silikonową. Prosięt może się zaaklimatyzować przed zapisaniem danych.

Rejestrowanie sygnałów mózgowych od swobodnie poruszających się prosiąt

Źródło: Moore, J. D., et al. Juxtacellular Monitoring and Localization of Single Neurons within Sub-cortical Brain Structures of Alert, Head-restricted Rats. J. Vis. Exp. (2015)Ten film pokazuje metodę zestawiania nagrań komórkowych i barwienia u skrępowanego, przytomnego szczura. Zabieg polega na rejestrowaniu sygnałów z neuronów i wstrzykiwaniu barwnika w celu precyzyjnej lokalizacji miejsca zapisu. Technika ta pozwala na dokładne odwzorowanie aktywności neuronalnej na anatomiczną strukturę...

Zapis i barwienie Juxtacellular w celu precyzyjnego mapowania aktywności neuronalnej u obudzonego szczura 

Wszczepianie zorganizowanych układów mikroprzewodów do użycia w jednojednostkowych zapisach elektrofizjologicznych stanowi szereg wyzwań technicznych. Opisano również metody wykonywania tej techniki i niezbędny sprzęt. Omówiono również korzystne wykorzystanie zorganizowanych układów mikroprzewodów do nagrywania z różnych podregionów neuronowych o wysokiej selektywności przestrzennej.

Procedura wszczepiania zorganizowanych układów mikroprzewodów do nagrań pojedynczych jednostek u obudzonych, zachowujących się zwierząt

Ten protokół opisuje projektowanie i chirurgiczne wszczepienie mechanizmu krępującego głowę do monitorowania aktywności neuronalnej w podkorowych strukturach mózgu u szczurów czujnych.  Wyznacza procedury izolowania pojedynczych neuronów w konfiguracji przyściennej i skutecznego identyfikowania ich lokalizacji anatomicznych.

Monitorowanie i lokalizacja pojedynczych neuronów w podkorowych strukturach mózgu czujnych, skrępowanych głową szczurów

U pszczół miodnych ustalono jednoczesne zewnątrzkomórkowe długoterminowe zapisy z dwóch różnych neuropile mózgowych lub dwóch różnych dróg anatomicznych. Nagrania te pozwalają na badanie czasowych aspektów przetwarzania neuronalnego w różnych obszarach mózgu zarówno na poziomie pojedynczego neuronu, jak i na poziomie zespołu u zachowującego się zwierzęcia.

Jednoczesne długoterminowe zapisy na dwóch etapach przetwarzania neuronalnego u zachowujących się pszczół miodnych

Prezentujemy metody budowy elektrod do jednoczesnego rejestrowania zewnątrzkomórkowej aktywności neuronalnej i uwalniania wielu substancji neuroaktywnych w pobliżu miejsc rejestracji u obudzonych myszy. Technika ta pozwala na szczegółową analizę przypuszczalnych lokalnych wejść synaptycznych do neuronu będącego przedmiotem zainteresowania.

Zewnątrzkomórkowy zapis aktywności neuronalnej w połączeniu z mikrojonoforowym zastosowaniem substancji neuroaktywnych u obudzonych myszy

Ślepota zmian to zjawisko uwagi wzrokowej, w wyniku którego zmiany w obrazie pozostają niezauważone w pewnych szczególnych okolicznościach. Protokół ten opisuje odmianę paradygmatu migotania do badania ślepoty na zmiany, która jest odpowiednia i skuteczna w badaniach z gołębiami.

Metoda badania ślepoty zmianowej u gołębi (Columba Livia)

Ten protokół przedstawia metodę obrazowania aktywności populacji neuronów z rozdzielczością pojedynczej komórki u nietransgenicznych gatunków bezkręgowców przy użyciu barwników absorbancyjnych wrażliwych na napięcie i matrycy fotodiodowej. Takie podejście umożliwia szybki przepływ pracy, w którym obrazowanie i analiza mogą być realizowane w ciągu jednego dnia.

Obrazowanie optyczne oparte na fotodiodach do rejestrowania dynamiki sieci z rozdzielczością pojedynczego neuronu u bezkręgowców nietransgenicznych

Ten protokół opisuje metodę uzyskiwania in vivo, wysokiej gęstości nagrań pojedynczych neuronów z pnia mózgu myszy z unieruchomioną głową. Podejście to jest stosowane do pomiaru potencjału czynnościowego neuronów w brzuszno-bocznej szarości okołowodociągowej - regionie pnia mózgu nieaktywnym podczas snu z szybkimi ruchami gałek ocznych (REM) - przed i podczas znieczulenia ogólnego.

Ostre jednojednostkowe nagrania wieloelektrodowe z pnia mózgu myszy z unieruchomioną głową

Poznaj metodę rejestracji potencjałów czynnościowych pojedynczych neuronów u gołębi podczas zadania dyskryminacji wizualnej obejmującego nabycie, wygasanie i ponowne nabycie odpowiedzi warunkowych.

Rejestrowanie potencjałów czynnościowych pojedynczych neuronów od swobodnie poruszających się gołębi na trzech etapach uczenia się (Wideo) | JoVE Journal

Rejestrowanie potencjałów czynnościowych pojedynczych neuronów od swobodnie poruszających się gołębi na trzech etapach uczenia się

Przeglądaj więcej filmów