Summary
Het leren van nieuwe stimulus-respons associaties aangrijpt diverse neurale processen die uiteindelijk terug in veranderen piek aan afzonderlijke neuronen. Hier beschrijven we een gedrags-protocol waardoor de continue registratie van de single-neuron activiteit terwijl dieren verwerven, doven, en opnieuw op te pakken een geconditioneerde respons binnen een enkele experimentele sessie.
Abstract
Hoewel het onderwerp van leren heeft aangetrokken enorme belangstelling van zowel gedrags-als neurale wetenschappers zijn slechts relatief weinig onderzoekers single-neuron activiteit waargenomen terwijl dieren worden een operantly geconditioneerde respons verwerven, of wanneer die reactie wordt gedoofd. Maar zelfs in deze gevallen, observatie periodes meestal omvatten slechts een enkele fase van het leren, dat wil zeggen verwerving of uitsterven, maar niet beide (uitzonderingen zijn onder andere protocollen gebruik omkering leren; zie Bingman et al. 1 voor een voorbeeld.). Echter, acquisitie en extinctie meebrengen verschillende leer-mechanismen en wordt daarom verwacht dat gepaard gaan met verschillende soorten en / of loci van neurale plasticiteit.
Daarom hebben we een gedragsmatige paradigma dat instituten drie fasen van leren in een gedragsmodel sessie en die goed geschikt is voor het gelijktijdig opnemen van afzonderlijke neuronen actiepotentialen. Dieren eenre getraind op een single-interval gedwongen keuze taak die in kaart brengen elk van de twee mogelijke keuze antwoorden op de presentatie van de verschillende nieuwe visuele stimuli (acquisitie) vereist. Na een vooraf prestatiecriterium, een van de twee reacties keuze heeft bereikt niet meer wordt versterkt (extinctie). Na een bepaalde decrement in prestatieniveau, worden correcte antwoorden opnieuw versterkt (herovering). Door het gebruik van een nieuwe reeks van prikkels in elke sessie kunnen dieren de overname-extinctie-herovering proces herhaaldelijk ondergaan. Omdat alle drie fasen van het leren optreden in een gedragsmodel sessie, het paradigma is ideaal voor de gelijktijdige waarneming van de spiking output van meerdere enkelvoudige neuronen. Wij gebruiken duiven modelsystemen, maar de taak kan gemakkelijk worden aangepast aan andere soorten kan geconditioneerd leren discriminatie.
Introduction
Het leren van nieuwe stimulus-respons-resultaat verenigingen grijpt aan op een breed scala van neurale plasticiteit processen. Deze processen worden uiteindelijk weerspiegeld in de veranderende piek aan afzonderlijke neuronen. Ongetwijfeld een van de meest gebruikte leren paradigma is Pavlov vreesconditionering uitgevoerd met knaagdieren. In deze instelling, de acquisitie en extinctie van een geconditioneerde respons plaatsvinden binnen een paar dozijn studies 2. De snelle ontwikkeling van geconditioneerde vrees kan voordelig zijn omdat het kan draaien van een groot aantal dieren in korte tijd. Ook acquisitie en extinctie kan binnen enkele tientallen proeven met dezelfde dag geobserveerd bij naïeve dieren 3,4 of verdeeld over 2 tot 3 dagen 2,5-8. Echter, de inzichten over de veranderingen van neurale activiteit tijdens het leren in deze experimenten niet per se buiten het domein van angst conditionering van toepassing. Bijvoorbeeld, doelgericht gedrag gedreven door positieve versterking is meer adequaat gemodelleerd door operante plaats van Pavlov-conditionering procedures, en kunnen voor een deel afhangen van verschillende neurale substraten 9,10. Ook angst conditionering ontwikkelt zich zo snel dat neurale reacties op de CS alleen kan worden waargenomen voor enkele tientallen proeven, het plaatsen van zware beperkingen op de analyse van veranderingen van neurale activiteit tijdens het leren.
Helaas, de acquisitie en extinctie van operante reageren meestal duurt vele dagen. Dit is nadelig voor neurofysiologische onderzoeken, omdat het erg moeilijk om de activiteit van afzonderlijke cellen meer dan een paar uur opnemen. Vanwege de grote gelijkenis van de golfvormen van extracellulair opgenomen actiepotentialen is problematisch stellen dat pieken die op een dag worden gegenereerd uit dezelfde cel als spikes met gelijke golfvormen die op de volgende 11,12, vooral in gebieden met een hoge celdichtheid zoals de hippocampus.
(Columbia livia forma domestica) zijn klassiek model organismen in de experimentele psychologie 13-17. Deze vogels zijn in staat om complexe visuele discriminatie 18 uit te voeren, kan flexibel gedrag aanpassen aan veranderende versterking onvoorziene 19,20, en zijn uniek enthousiaste werknemers, het uitvoeren van 1000 proeven met een minimale hoeveelheid wapening. Deze eigenschappen maken ze bijzonder geschikt voor de hieronder beschreven experimenten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Ethiek Verklaring
Alle experimenten werden uitgevoerd in overeenstemming met de Duitse richtlijnen voor de zorg en het gebruik van dieren in de wetenschap. Procedures werden goedgekeurd door een nationale ethische commissie van de deelstaat Noordrijn-Westfalen, Duitsland.
Systeemoverzicht
Operante Testing Chamber
De operante kamer (figuur 1) van 34 cm x 34 cm x 50 cm. Drie doorschijnend reactie toetsen (4 cm x 4 cm, gelegen op ongeveer 20 cm boven de vloer) zijn verzonken in de achterwand van de kamer. Stimuli worden aangetoond door middel van een lcd-scherm achter het antwoord toetsen gemonteerd. Twee 2-watt gloeilampen gelegen aan de zijwanden dim verlichting. De kamer is gevestigd in een geluiddempende kast om vreemde geluiden te maskeren. Luidsprekers bieden witte ruis te allen tijde. Voedsel (graan) wordt geleverd door een voedsel hopper onder de cent gelegeneh sleutel. Experimentele hardware wordt aangestuurd door op maat geschreven MATLAB-code 21. Dieren worden continu bewaakt door een digitale camera aan de voorwand van de kamer.
Custom-built Microdrive
Microdrive huis 16 elektrode draden zijn op maat gemaakt in ons laboratorium; het ontwerp is gebaseerd op werk van Bilkey en collega's 22,23, en de lezer wordt verwezen naar deze artikelen voor een gedetailleerde beschrijving. We pasten hun ontwerp om te zorgen voor een groter aantal elektroden (16 in plaats van 8, 25 urn nichrome draden), en we verbinden de elektrode draden via geleidende zilveren lijm op de headstage socket. Daarnaast maken we vergulden van de elektrode uiteinden impedantie te verminderen en een betere signaal-ruisverhouding te bereiken (toepassing -3 V ~ 3 seconden; impedanties moet dalen tot <100 kQ).
Zodra de microdrive is samengesteld, worden elektroden gesneden tot de gewenste lengte, tips reind in een ultrasoon bad (Tergazyme in gedestilleerd water) gedurende 20 min en gespoeld nog eens 20 min in gedestilleerd water. Gold-plating van de elektrode tips moet onmiddellijk plaatsvinden vóór implantatie. Voor de aarding, gebruiken we een zilveren bal elektrode boven de laterale cerebellum geplaatst. Specificatie van materialen wordt in het Materials tafel die dit artikel hoort.
Een belangrijk probleem bij het werken met vrij bewegende dieren is beweging artefacten. Wij vonden dat beweging artefacten in onze opstellingen zijn grotendeels te wijten aan een) hoge electrode impedanties (> 500 kOhm) en b) onvolkomen bevestiging van de contacten tussen de plug (implantaat) en de bus (headstage) terwijl het dier in beweging is. Een verscheidenheid van in de handel verkrijgbare microconnectors niet naar wens presteert voor het opnemen van vrij bewegende vogels, omdat de mechanische contact tussen stekker en stopcontact snel verslechtert door krachtige bewegingen van de duiven (hoofd-dobbert, key-pikken). De beste mechanische verbinding tussen implantaat en headstage werd bereikt met headplug assemblages van Ginder Scientific. Deze plug-socket assemblies voorzien van 18 contacten en worden stevig op elkaar door een ring moer.
Elektrofysiologische opname instellen
De elektrofysiologie setup bestaat uit de volgende componenten: 1) een custom-built headstage met eenheid te krijgen (operationele versterker) 2) 15 differentiële versterker modules ondergebracht in twee rack-mount-eenheden (DPA-2FS en EPMS-07, respectievelijk; NPI electronic GmbH, Duitsland ), 3) een 16-kanaals analoog-digitaal omzetter (stroom 1401 markering I). Ruwe signalen worden versterkt 1000 x en band-pass gefilterd (500-5000 Hz, 1 ste orde filter), gedigitaliseerd met een sampling rate van 16-20 kHz en opgeslagen met Spike2 versie 7.06a voor offline verwerking. De aanvangstijden (zoals stimulusaanvang of individuele sleutel pikt van het dier) worden vastgelegd via een in het laboratorium gebouwd parallelle poort IO box (zie Rose, Et al. 21) en aan de AD converter voor opslag samen met de neurofysiologische data (zie figuur 1).. Offline verwerking wordt hieronder beschreven.
Figuur 1. Systeemoverzicht. Informatiestroom wordt gesymboliseerd door gekleurde pijlen. Computer 1 controles hardware met betrekking tot gedrags-uitgang (stimulus scherm via de flatscreen monitor, huis licht, voedsel hopper, feeder licht, respons toetsen) en stuurt evenement timestamps om de AD-converter. Computer 2 winkels neurofysiologische signalen verkregen van de A / D-omzetter en evenement timestamps ontvangen van Computer 1. De foto links toont de conditioneringskamer in de geluidremmende hokje. De elementen zijn: 1) geluidremmende shell, 2-4) responssleutels, 5) voedsel hopper, 6) feeder licht 7) huis licht, 8) observatie camera.
Single-Interval-Gedwongen-Choice (SIFC) Discriminatie Task
Voor de duidelijkheid, zullen we de uiteindelijke SIFC taak hier te beschrijven en vervolgens verklaren de stappen die nodig zijn om dieren te trainen op deze hieronder taak.
De SIFC taak is geschetst in fig. 2. Nadat het interval tussen (ITI) is verstreken, wordt de selectietoets groene tot 5 seconden ('initialisatiefase) transilluminatie. Onmiddellijk na de derde reactie van het dier binnen 5 sec, een van de talloze monster stimuli wordt gepresenteerd op de middelste toets voor 2 seconden ('sample fase'; bijvoorbeeld stimuli worden getoond op de inzet naar figuur 2). Na 2 sec, wordt het middelste toets nogmaals transilluminated groen, en het dier heeft nogmaals reageren voordat de twee toetsen kant zijn transilluminated ('bevestiging fase'). Afhankelijk van de identiteit gefotografeerde stimulusin het monster fase wordt het dier verplicht een enkel antwoord op de linker-of de juiste sleutel ('keuze fase') direct. Als het kiest de juiste bestemming, toegang te belonen (graan) wordt verleend voor 2 sec. Zo is de kern van de taak bestaat uit het beantwoorden van de linker keuze sleutel na de indiening van een bepaalde stimulus op de middelste toets, en het beantwoorden van de juiste keuze sleutel na voorlegging van een andere stimulus. De reden dat het monster fase haakjes door een initialisatie en een bevestiging fase is de kop van de dieren voor de selectietoets houden terwijl het monster stimulus wordt gepresenteerd.
Zodra het dier beheerst een taak voor een enkel paar stimuli (voortaan "vertrouwde" stimuli, FS), het wordt gepresenteerd met een nieuwe stimulus (NS) paar op elke nieuwe sessie, en moet leren welke van de twee nieuwe stimuli gevolgd door een reactie naar links of rechts toets keuze. De FS pair blijft tijdens e te worden gepresenteerdose experimenten om als geschikte controle conditie dienen. Adequate prestaties op de laatste taak belangrijke mate gebaseerd op de bereidheid van de dieren uit te voeren> 1000 proeven bij algehele uitbreiding waarschijnlijkheden <0.5. De volgende paragrafen beschrijven een procedure waarbij training taakcomplexiteit geleidelijk verhoogd totdat het dier het niveau van de SIFC bereikt; tegelijkertijd, versterking waarschijnlijkheid en het aantal proeven per sessie moeten worden verhoogd consequent optimale prestaties de laatste taak.
1. Animal Training
- Eten Beperking
- Weeg de dieren na ten minste twee weken van de vrije toegang tot voedsel. Neem dit gewicht als de vrije voeding gewicht. Beperken voedsel toegang in de komende 1-2 weken totdat dieren bereiken 85% van hun vrije geeft gewicht.
- Het is cruciaal dat duiven een gezond uiterlijk en normale activiteit gedurende de duur van het gehele experiment. AanDaartoe nauwlettend uiterlijk en gewicht van de dieren over de gehele duur van gedragstraining en testen. Weeg de dieren voor en na elke experimentele sessie dagelijkse voedselinname te beoordelen. Leveren extra voedsel indien nodig verder gewichtsverlies te voorkomen. Bieden onbeperkte toegang tot voedsel in het weekend.
- Autoshaping
Autoshaping dient om de dieren wennen aan de experimentele kamer en stelt geconditioneerd reageren.- Presenteer een 5-sec visuele stimulus (voortaan, initialisatie stimulus, IS) op de middelste toets. Onmiddellijk na beëindiging van de IS of een kusje op de responssleutel (wat eerst komt), uitschakelen toetsverlichting en heden voedselbeloning (2 sec activering van het voedsel hopper).
- Houd de ITI aanzienlijk langer dan het monster presentatie tijd om te vergemakkelijken leren 24. Gebruik de waarden van 120 seconden voor ITI en lopen 40 onderzoeken per dag. Later opnieuw de ISde initialisatie, bevestiging en keuze belangrijke stimulus in de laatste taak (zie figuur 2). Deze fase van de training zullen de dieren duurt ongeveer een week.
- Zodra het dier reageert betrouwbaar (bij> 85% van de studies), verminderen de ITI stapsgewijs tot 10 sec en het monster presentatie tijd neer op 2 sec. Tegelijkertijd, het aantal responsen vereist versterking om 3 (vaste verhouding van 3, FR3). Bovendien, aldus het totale aantal proeven per dag. Kies parameters zodat het dier dagelijks getraind gedurende ongeveer 1 uur. Deze fase van de opleiding duurt ongeveer 2 weken.
- Herhaal stappen 1.2.1 - 1.2.3 voor de linker en rechter reactie toetsen tot onderwerpen betrouwbaar reageren op de IS alle 3 sleutels. Alternatieve studies met activering van de linker-, rechter-en middelste toets willekeurig.
- Nu presenteren het wordt eerst in het centrum en vervolgens, afhankelijk van een reactie, aan weerszijden toets (weglaten versterking voor deCenter Key respons). Alternate geactiveerde toetsen aan de zijkant willekeurig van proef tot proef. Beëindigen studies waarin het onderwerp niet reageren op de middelste toets na 5 sec. Herhaal dit totdat het dier voert betrouwbaar (~ 3 dagen).
- Breng 2 nieuwe stimuli die later zal dienen als FS in de laatste taak (zie figuur 2, bijvoegsel, voor voorbeelden). Herhaal stap 1.2.1 - 1.2.3 met deze stimuli. Reageren zal sneller dan worden gelegd met de eerste stimulus, meestal binnen 4 dagen.
Figuur 2. Illustratie van het gedrag paradigma. Na ITI van 5 seconden, de selectietoets wordt transilluminatie groene tot 5 seconden (initialisatie). Als het dier reageert 3x binnen deze 5 sec, 1 van de 4; Monster stimuli wordt gepresenteerd op dezelfde positie. Na een vaste voorbeeldpresentatie tijd van 2 seconden waarin het dier moet ten minste een keer reageert, wordt de centrale pikken sleutel groene transilluminated weer (bevestiging). Na nog pikken, worden de 2 zijknoppen groen transilluminated. Het onderwerp geeft zijn keuze door een keer te reageren op een van de toetsen aan de zijkant. Gedurende acquisitie en herovering zijn correcte reacties gevolgd door 2 sec voedsel toegang vergezeld door activering van de feeder licht of activering van de aanvoer licht alleen. Indien onjuiste, zijn huis lichten uitgeschakeld voor 3 sec. Tijdens uitsterven, zowel juiste en onjuiste antwoorden op de uitsterven prikkel blijven inconsequent. Inzet toont, zoals nieuwe en bekende stimulus paren.
- Training van een Single-Interval Gedwongen-Choice (SIFC) Taak voor Familiar Stimuli
- Bepaal de volledige sequentie van initialisatie, monster, bevestiging, en de keuze: op elke proef, aanwezig fiRST de IS (FR3), vervolgens van beide FS (2 sec bepaalde duur), opnieuw de IS (FR1). Gebruik een gevraagd-keuze ontwerp: in elke proef, transilluminate alleen de keuze sleutel die juist voor de gegeven FS is. Deze fase van de opleiding moet ongeveer 1 week duren.
- Zodra het onderwerp voert betrouwbaar (> 85% antwoorden op de betreffende kant sleutel), de invoering van vrije keuze proeven (zowel zijknoppen transilluminated tijdens keuze-fase). Indien het dier aan de juiste kant, als voedsel toegang 2 sec. Onjuiste antwoorden worden gevolgd door time-out straf (houselights off 2 sec). Als er geen antwoord wordt gegeven binnen 3 sec, beëindigen proef en opnieuw beginnen ITI. Dieren leren meestal deze subcomponenten van de taak binnen 2 weken.
- Verhoog geleidelijk de fractie van vrije keuze proeven bij volgende sessies van 20% tot 100%.
- Als het onderwerp uitvoert> 90% correct in de vrije-keuze proeven, verlagen beloning kans voor de juiste antwoorden op 0.5terwijl tegelijkertijd het aantal pogingen per sessie 1000. Niet parameters veranderen elke dag / sessie, maar kiezen ze flexibel, afhankelijk van het prestatieniveau van de betrokkene van initialisatie omissies en percentage juiste antwoorden. Deze fase van de opleiding duurt ongeveer 4 weken.
- Duiven hebben de neiging om te weigeren te reageren op onbekende stimuli. Daarom, zodra het dier goed werkt dat> 1000 proeven, AutoVorm reacties op een grote set van visuele prikkels (zie paragraaf 1.2). Echter niet preexpose de visuele stimuli bestemd voor later gebruik als nieuwe stimuli in de finale paradigma maar uniforme kleur displays.
- Final Single-Interval Geforceerde Keuze Task met nieuwe stimuli Onder verschillende bekrachtigingscondities
- Warm-up
Laat het onderwerp voeren 50 studies met alleen de FS. Stel beloning kans voor deze prikkels tot <1 (laten we zeggen, 0,5-0,8) tijdens alle fasen om voortijdige verzadiging en te voorkomen,Daarom, gebrek aan motivatie om te reageren. - Acquisitie Stage
Willekeurig afgewisseld studies met presentatie van FS en NS. Wijs verschillende reactie toetsen als juist voor de twee NS en versterken elke juiste reactie. Bereken het percentage juiste antwoorden als een lopend gemiddelde over de laatste 120 trials. Verwerving is voltooid beschouwd zodra prestaties voor elk van de NS dan 85%, maar niet voordat minste 150 proeven zijn uitgevoerd. - Uitsterven Stage
Stop versterken juiste en straffen onjuiste antwoorden op een willekeurig NS (extinctie stimulus). Begin herovering fase waarin juist reageren op het uitsterven stimulus daalt tot onder de 60% en het dier heeft ervaren ten minste 150 proeven in deze fase in totaal. - Reacquisition podium
Weer versterken juiste en straffen onjuiste antwoorden aan het uitsterven stimulus, zoals tijdens de acquisitie fase. Beëindig de sessie wanneer de prestaties voor deze stimulus hoger is dan 85% en de animaIs uitgevoerd minstens 150 proeven in deze fase in totaal.
- Warm-up
2. Electrofysiologie
- Elektrode Implantatie
Implantatiechirurgie vindt plaats nadat de dieren herhaaldelijk (3-4x) voltooide de volledige overname-extinctie-reacquisition sequentie en wordt in meer detail beschreven elders 25.- Plaats 5-6 RVS microsrews op de schedel voor het verankeren van een tandheelkundige cement hoofd monteren waaronder de Microdrive.
- Voer een craniotomie net boven de hersenen regio van belang; vervolgens voorzichtig ontleden de dura en laat de elektroden in de gewenste positie.
- Voordat het verankeren van de microdrive aan het hoofd te monteren, gelden vaseline rond de gids canule; dit voorkomt tandheelkundig cement uit het inkapselen van de geleidebuis.
- Gebruik een geïsoleerde zilveren bal elektrode geplaatst onder de schedel bovenop de kleine hersenen als grond.
- Zorg voor dieren met pijnstillers (Carprofen, 10 mg / kg, tweemaal daags geïnjecteerd) gedurende drie dagen na de operatie. Zodat de dieren om te herstellen gedurende minstens 2 weken.
- Opnames Terwijl Dieren uitvoeren van de taak
- Gebruik een nieuw paar nieuwe stimuli voor elke sessie en vooraf elektroden ten minste 125 micrometer (een halve omwenteling van de spindel) alvorens te beginnen. Als er geen actiepotentialen van voldoende signaal-ruisverhouding worden waargenomen, breek de sessie, plaats het dier in de kooi en probeer het opnieuw de volgende dag.
- Schik de headstage kabel zodanig dat deze niet interfereren met de normale pikken van het dier en eetgedrag. Dit kan worden bereikt door het aanbrengen van de kabel met meerdere elastische banden aan de bovenzijde van de conditioneringskamer en habituating de vogels aan de bijgevoegde kabel enkele uren.
- Indien beschikbaar, gebruik maken van een collector voor extra bewegingsvrijheid voor de vogels.
- Offline signaal analyses
- Band-pass-filter alle kanalen van 500 tot 5000 Hz met steile roll-offs offline gebruik Spike2. Extract spikes met amplitude drempels en sorteer ze handmatig in dienst principale componenten analyse.
- Onderzoek sortering resultaten met op maat geschreven MATLAB-code (verkrijgbaar bij MATLAB Centraal Bestand Exchange, ID File # 37339). Een goed geïsoleerde eenheid (Figuur 3) moeten alle van de volgende criteria voldoen: a) een duidelijk gescheiden cluster in hoofdsom ruimte component, b) geen teken van meerdere eenheden bij alle opgenomen golfvormen worden bedekt en uitgezet als heat map (figuur 3A ), c) symmetrisch verdeeld piek golfvorm amplitude (figuur 3B), d) stabiele opname tijdens de sessie blijkens onveranderlijke piek amplitude (figuur 3C), e) geen of zeer weinig spike gebeurtenissen die plaatsvinden tijdens de refractaire periode van de voorgaande piek (Figuur 3D) en een signaal-ruisverhouding (SNR) van ten minste 2 (SNR hier defined als het verschil tussen de minimum en maximum van de gemiddelde piek golfvorm, gedeeld door de breedte van het bijgesneden ruisband (2,5 e en 97,5 ste percentielen van de verdeling van de waarden uit de eerste lade van golfvormen)). SNR van de in figuur 3 eenheid 3.9.
- Inspecteer ruwe kanalen offline voor beweegzorg artefacten. Gooi kanalen bij vermeld.
- Elektrische artefacten die tijdens sleutel pikken kan in zeldzame gevallen worden verward met de juiste spike golfvormen. Test voor de verontreiniging van de opnamen door onderzoek van de time histogram spike telt onderling geregistreerde toets pikt (peri-pikt time histogram, PPTH figuur 3E). -Pikken-geïnduceerde artefacten te zien zijn als een piek in het histogram dicht (± 50 msec) om tijd 0. Als extra controle, plot de golfvormen van alle vermeende spike gebeurtenissen geregistreerd binnen ± 20 msec van een sleutel pikken apart en vergelijk het met spike golfvormen gedetecteerd outside dit venster (Figuur 3F).
Figuur 3. Kwaliteit metrics voor isolatie-eenheid. A) Heat kaart van tijd-spanningswaarden alle golfvormen '. B) Uitkeringen van maximum (rood), minimum (groen) en geluid (blauw) spanning waarden van alle golfvormen. De verdelingen goed gescheiden te geven uitstekende isolatie-eenheid. C) Spontane vuursnelheid (rood, berekend uit 2-sec segmenten alle intertrial intervallen) en piek amplitudes (piek-piek) als functie van de tijd in de sessie. Beide curves werden gladgestreken met een wagon-functie (breedte: 50 datapunten) D) Interspike-interval distributie voor deze eenheid.. Bin breedte, 10 msec (inzet: 1 msec). Zeer korte intervallen zijn bijna afwezig (<0,1% van de intervallen onder 4 msec). <strong> E) PSTH getriggerd om de belangrijkste pikt. Event telt dicht bij de sleutel pikken (± 20 msec) wordt rood. F gemarkeerd) Alle 157 golfvormen opgenomen binnen ± 20 msec van belangrijke gebeurtenissen pikken. De golfvormen gunstig in vergelijking tot de totale golfvorm getoond in paneel A.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Gedrag
Figuur 4A toont het gedrag gedrag van een dier in een voorbeeld sessie. Het prestatieniveau van het dier bereikt criterium voor NS 2 binnen 180 studies (45 stimulus presentaties) en bijna 100% voor de NS 1 vanaf het begin. Deze strategie - eerst reageren op de dezelfde sleutel voor zowel nieuwe stimuli, en vervolgens het aanpassen antwoorden voor een van de prikkels - is ongeveer net zo vaak waargenomen als aanvankelijk willekeurige reageren op zowel NS. In deze sessie werd de NS 2 willekeurig gekozen om uitsterven te ondergaan, wat betekent dat alle keuzes na deze stimulus blijven inconsequent (overgang tussen leren fasen zijn aangegeven met verticale zwarte stippellijnen). Tijdens uitsterven, prestaties vermindert voor het uitsterven stimulus maar blijft hoog voor de andere NS. Criterium is bereikt in het proces 370. Juiste en onjuiste antwoorden worden nu versterkt en opnieuw gestraft (herovering) en prestatieniveau criterium bereikt. proef 402 Performance voor FS is constant hoog (> 95%; gegevens niet getoond). b) Gemiddeld aantal proeven nodig is voor elke fase van het leren voltooien (gemiddeld over 5 dieren en 44 sessies in totaal). Gemiddeld, dieren nodig ~ 700 proeven om consequent te reageren correct reageren. Uitsterven nam ~ 900 proeven, en herovering slechts ongeveer 60 proeven, aanzienlijk minder dan de oorspronkelijke aankoopprijs (Figuur 4B).
Figuur 4. Voorbeeld gedragsmatige resultaten. A) prestaties Een vogel voor de 2 nieuwe stimuli in alle drie de stadia van het leerproces. Curves tonen procent juiste keuzes (gemiddelde over de laatste 120 proeven, overeenkomend met 30 presentatie van de desbetreffende stimulus) als functie van het totale aantal proeven, afzonderlijk nieuwe stimulons 1, nieuwe stimulus 2, en gemiddeld over beide stimuli. Prestaties voor vertrouwde stimuli steeds boven 95% correct (gegevens niet getoond) B) Gemiddeld aantal proeven nodig zijn om criterium prestaties in elk van de drie stadia van het leerproces te bereiken.; error bars, SEM.
Neurale gegevens
Figuur 5 toont de respons patroon van twee eenheden in de nidopallium caudolaterale (NCL) geregistreerd terwijl een dier uitvoeren van de SIFC taak. Reactie modulatie tijdens de presentatie van de NS figuur 5A. In de acquisitiefase, de eenheden reageert sterk aan NS 2 (aangeduid blussen), met reacties daling tegen het einde van de acquisitiefase en weinig verandering in vuren tijdens de andere twee fasen van het leren. Er is weinig te reageren op NS 1 over het gehele sessie. De reactie stijging rond 3-4 sec na monster stimulusaanvang is te wijten aan de levering te belonen. Activiteit niveausbetreffende bekende stimuli niet gemoduleerd (gegevens niet getoond).
Figuur 5B toont de respons patroon van een andere NCL eenheid opgenomen tijdens SIFC. Dit neuron reageert tijdens recht-maar niet naar links bewegingen (linksboven), suggestief van sensomotorische codering. Echter, de respons kracht veranderd in de stadia van het leerproces: de twee onderste panelen tonen spike dichtheid functies (SGF) getriggerd om naar rechts keuzes voor een vertrouwd (links) en een nieuwe stimulus (rechts), opgesplitst in opeenvolgende kwartielen om de ontwikkeling over te illustreren de experimentele sessie. Reacties waren lager voor de vertrouwde stimulus gedurende de hele sessie, ook al is de gemiddelde looptijden voor de twee stimulus omstandigheden waren zeer vergelijkbaar (rechtsboven). Bovendien reageert tijdens het rechts keuzes na de presentatie van de roman, maar niet de bekende stimulus daalde in de loop van de experimentele sessie (niet gepaard met een afname van de uitgangswaarde sparing tarief). Dus zowel neuronen vuren af als een bijzondere nieuwe stimulus werd steeds vertrouwd met de neuron in figuur 5B codeert voor een specifieke beweging naast de nieuwheid van de voorafgaande stimulus die beweging.
Figuur 5. Response patronen uit twee bijvoorbeeld eenheden die tijdens het SFIC taak. A) Spike dichtheid functies geactiveerd tot aan het begin van de 2 nieuwe stimuli NS 1 en NS 2 (bovenste en onderste rij, respectievelijk), opgesplitst voor 3 leren fasen (kolommen ), met reacties in elke leerfase weer opgesplitst in 3 gelijke delen (vroeg, midden, laat). NS 2 werd aangewezen voor uitsterven. PSTHs (bin breedte 1 ms) werden gladgestreken met een exponentieel gemodificeerde Gauss kernel (σ = 100 msec en τ = 100 msec). B)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dit protocol beschrijft een complexe gedrags-taak geschikt voor gelijktijdige single-unit registraties. We hebben de SIFC taak beschreven voor duiven, maar het kan gemakkelijk worden aangepast aan knaagdieren door te eisen neus porren of hendel te drukken in plaats van het toetsenbord pikt, en te vervangen door visuele door olfactorische, auditieve of tactiele stimuli.
Misschien wel de meest kritische stappen tijdens de training procedure zijn: 1) geleidelijke vermindering van de beloning waarschijnlijkheid en 2) toename van proef nummer. Wat intermitterende versterking voor de bekende stimuli, besloten we op beloning waarschijnlijkheid van 0,5 tot 0,8 heeft; deze hoog genoeg zijn om stabiele prestaties te produceren, maar laag genoeg om voortijdige verzadiging voorkomen. Dat gezegd hebbende, veel vogels zijn bereid om goed te presteren voor beloning waarschijnlijkheden omlaag naar 0,2.
Het grote aantal trials per sessie (500-1500) is nodig omdat de overname, uitsterven, en herovering van geconditioneerde reageren simply dit vereist vele beproevingen, en omdat de precieze schatting van werkingsveld is moeilijk met minder dan, zeg, 25 trials, vooral wanneer er opnamen van neuronen met lage vuren tarieven (in de NCL, basislijn afvuren tarieven zijn <1 Hz). Daarom zetten we het minimum aantal proeven dat nodig voor het voltooien van een leerfase, zodat elke stimulus wordt minstens 35 keer.
Voor een naïeve dier, training op de SIFC taak duurt ongeveer 4 maanden, maar de exacte duur is sterk afhankelijk van het individu. Vanwege de hoge eisen van de taak is het zeer waarschijnlijk dat niet alle dieren uiteindelijk presteren goed op de definitieve paradigma. Als een individu vogel slaat te veel proeven of produceert hoge foutenpercentages tijdens de training, aarzel dan niet om dit onderwerp te vervangen. In onze ervaring, is het zeer waarschijnlijk dat dit dier nooit goed zal presteren op de laatste taak.
De meeste eerdere studies uitvoeren van single-unit registraties invrij bewegende duiven niet motorvermogen correct registreren tijdens het opnemen. Dit bemoeilijkt de interpretatie van neuronale respons tijdens kritieke perioden van de proeven, zoals voorbeeldpresentatie of vertraging fasen 25. Dit probleem is inherent aan go / no-go taken waarbij de experimentator meestal niet weet wat het onderwerp doet op no-go trials; dezelfde waarschuwing geldt voor werkgeheugen taken waarin een langere wachttijd. Om de controle over de bewegingen van de dieren zonder inzet van hoofd-fixatie te bereiken, hebben we een taak waarin dieren moeten dezelfde actie (sleutel pikken), hoewel voorwaarden (sample stimuli) wijziging te kunnen doorvoeren. In onze SIFC paradigma, zowel visuele input en motorische output is goed gecontroleerde en permanent worden gecontroleerd. Aangezien dieren zijn verplicht te pikken bij elke sample stimulus tijdens zijn presentatie, houden wij motorvermogen constant terwijl de dieren bekijken stimuli met verschillende leergeschiedenissen. We onderzoeken momenteel methods om nog betere controle van motorvermogen, zoals het aanbrengen van een versnellingsmeter om de headstage voor de continue registratie van hoofdbewegingen te bereiken. Ook zijn we het ontwikkelen van methoden voor het meten van de kracht van elke toets pikken door middel van een mechanoelectric transducer.
Onze paradigma maakt het ontwarren van de bijdragen van sensorische, motorische en cognitieve variabelen om neurale vuren tarieven door het identificeren van typische neurale respons patronen. Bijvoorbeeld, zou een premotor neuron voor leftward reacties worden verwacht dat afvuren verhogen tijdens de steekproef fase wanneer het dier gaat een naar links reactie te maken, ongeacht de stimulus identiteit. Evenzo zou eenvoudige motorische neuronen worden verwacht om te vuren tijdens sleutel pikken, of links-of rechts beweging. Een neuron die beloning verwachting, daarentegen, zou brand in het monster fase en meer voor de FS dan de NS in vroegtijdige verwerving (vanwege persoonlijke beloning kans is hoger dan FS NS trIALS voordat NS worden geleerd), maar dit moet later ongedaan worden gemaakt als de NS zijn consequent correct geclassificeerd (omdat objectieve beloning kans is hoger op de juiste NS trials). Tenslotte neuronen die reageren op specifieke stimulus functies verwacht gestaag ontslaan een van de monster stimuli zonder enige verandering in leerstadia.
Omdat extracellulaire unit opname is gevoelig voor opname spikes uit meerdere units tegelijk 11,26, de inspectie van een aanbod van hoogwaardige statistieken is belangrijk om te pieken als afkomstig correct classificeren van een enkele of van meerdere neuronen 27. Met behulp tetrodes plaats van enkele elektroden zou zeker geven een extra verhoging van het sorteren van kwaliteit 11. Dit moet worden overwogen bij opnamen in de hersenen regio's met een hoge celdichtheid (bijvoorbeeld hippocampus) of zeer hoge spontane activiteit (zoals de entopallium) zijn bedoeld. Echter, de microplugs wij gebruiken zijn alleen beschikbaar voor maximaal 18 aansluitingen die nu vormen een bovengrens voor het totale aantal opgenomen kanalen.
Samengevat hebben we een taak van hoge complexiteit voor niet-primaat proefdieren. Deze taak werd afgestemd op het onderzoek van het leren verschijnselen met single-neuron opnames mogelijk te maken, maar op hetzelfde moment is geschikt om onderwerpen zoals categorisatie, besluitvorming en beloning codering aan te pakken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit onderzoek werd ondersteund door subsidies van de Duitse Research Foundation (DFG) naar MCS (VOOR 1581, STU 544/1-1) en OG (VOOR 1581, SFB 874). De website van de DFG is http://www.dfg.de/en/index.jsp. De financiers hadden geen rol in onderzoeksopzet, gegevensverzameling en-analyse, besluit tot publicatie, of de bereiding van de manuscript.The auteurs danken Thomas Seidenbecher voor ons met de gold-plating protocol evenals Tobias Otto voor hulp bij het opzetten van de elektrofysiologische opname-apparatuur.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Resistance wire (for use as electrodes) | California Fine Wire, Grover Beach, CA, USA | Stablohm 675; formvar-coated nichrome wires (outer diameter 25 µm) | |
| Microconnectors | Ginder Scientific, Nepean, Ontario, Canada | GS18PLG-220 (plug) & GS18SKT-220 (socket to build headstage) | |
| Cannulae | Henke Sass Wolf, Tuttlingen, Germany | 0.4 x 20 mm/ 27 Gx3/4" | |
| Gold solution for plating | Neuralynx, Bozeman, MT, USA | SIFCO Process Gold Non-Cyanide, Code 5355 | |
| Solution for ultrasonic bath | Alconox, Inc., New York, USA | 1304 | Tergazyme |
| Conductive glue | Henkel Loctite | LOCTITE 3888 Silver filled, conductive, adhesive | |
| Stainless steel screws | J.I. Morris, Southbridge, MA, USA | F0CE125 self-tapping miniature screws, body length 1/8 inches | |
| Light-curing dental cement | van der Ven Dental, Duisburg, Germany | Omniceram Evo Flow A2 | |
| Light-curing unit | van der Ven Dental, Duisburg, Germany | Jovident Excelled 215 Curing Light (wireless LED light curing unit) | |
| Filter amplifiers | npi electronic GmbH, Germany | DPA-2FS | |
| A/D converter | Cambridge Electronic Design, Cambridge, UK | power 1401 | |
| Spike2 software | Cambridge Electronic Design, Cambridge, UK | Version 7.06a | |
| MATLAB | The Mathworks, Natick, MA, USA | R2012a |
References
- Bingman, V. P., Gasser, B. A., Colombo, M. Responses of pigeon (Columba livia) wulst neurons during acquisition and reversal of a visual discrimination task. Behav Neurosci. 122, 1139-1147 (2008).
- Herry, C., Ciocchi, S., Senn, V., Demmou, L., Müller, C., Lüthi, A. Switching on and off fear by distinct neuronal circuits. Nature. 454, 600-606 (2008).
- Quirk, G. J., Repa, C., LeDoux, J. E. Fear conditioning enhances short-latency auditory responses of lateral amygdala neurons: parallel recordings in the freely behaving rat. Neuron. 15, 1029-1039 (1995).
- Quirk, G. J., Armony, J. L., Ledoux, J. E. Components of Tone-Evoked Spike Trains in Auditory Cortex and Lateral Amygdala. Neuron. 19, 613-624 (1997).
- Maren, S. Auditory fear conditioning increases CS-elicited spike firing in lateral amygdala neurons even after extensive overtraining. Eur J Neurosci. 12, 4047-4054 (2000).
- Milad, M. R., Quirk, G. J. Neurons in medial prefrontal cortex signal memory for fear extinction. Nature. 420, 713-717 (2002).
- Hobin, J. A., Goosens, K. A., Maren, S. Context-dependent neuronal activity in the lateral amygdala represents fear memories after extinction. J Neurosci. 23, 8410-8416 (2003).
- Maren, S., Hobin, J. A. Hippocampal regulation of context-dependent neuronal activity in the lateral amygdala. Learn Mem. 14, 318-324 (2007).
- Knapska, E., et al. Differential involvement of the central amygdala in appetitive versus aversive learning. Learn Mem. 13, 192-200 (2006).
- Harloe, J. P., Thorpe, A. J., Lichtman, A. H. Differential endocannabinoid regulation of extinction in appetitive and aversive Barnes maze tasks. Learn Mem. 15, 806-809 (2008).
- Gray, C. M., Maldonado, P. E., Wilson, M., McNaughton, B. Tetrodes markedly improve the reliability and yield of multiple single-unit isolation from multi-unit recordings in cat striate cortex. J Neurosci Methods. 63, 43-54 (1995).
- Lewicki, M. S. A review of methods for spike sorting: the detection and classification of neural action potentials. Network. 9, (1998).
- Skinner, B. F. 34;Superstition" in the pigeon. J Exp Psychol. 121, 273-274 (1948).
- Herrnstein, R. J. Relative and absolute strength of response as a function of frequency of reinforcement. J Exp Anal Behav. 4, 267-272 (1961).
- Brown, P. L., Jenkins, H. M. Auto-shaping of the pigeon's key-peck. J Exp Anal Behav. 11, 1-8 (1968).
- Epstein, R., Kirshnit, C. E., Lanza, R. P., Rubin, L. C. 34;Insight" in the pigeon: antecedents and determinants of an intelligent performance. Nature. 308, 61-62 (1984).
- Mazur, J. E. Varying initial-link and terminal-link durations in concurrent-chains schedules: a comparison of three models. Behav Processes. 66, 189-200 (2004).
- Herrnstein, R. J., Loveland, D. H. Complex visual concept in the pigeon. Science. 146, 549-551 (1964).
- Stüttgen, M. C., Yildiz, A., Güntürkün, O. Adaptive criterion setting in perceptual decision making. J Exp Anal Behav. 96, 155-176 (2011).
- Stüttgen, M. C., Kasties, N., Lengersdorf, D., Starosta, S., Güntürkün, O., Jäkel, F. Suboptimal criterion setting in a perceptual choice task with asymmetric reinforcement. Behav Processes. 96, 59-70 (2013).
- Rose, J., Otto, T., Dittrich, L. The Biopsychology-Toolbox: a free, open-source Matlab-toolbox for the control of behavioral experiments. J Neurosci Methods. 175, (2008).
- Bilkey, D. K., Muir, G. M. A low cost, high precision subminiature microdrive for extracellular unit recording in behaving animals. J Neurosci Methods. 92, 87-90 (1999).
- Bilkey, D. K., Russell, N., Colombo, M. A lightweight microdrive for single-unit recording in freely moving rats and pigeons. Methods. 30, 152-158 (2003).
- Gallistel, C. R., Gibbon, J. Time, rate, and conditioning. Psychol Rev. 107, 289-344 (1993).
- Starosta, S., Güntürkün, O., Stüttgen, M. C. Stimulus-response-outcome coding in the pigeon nidopallium caudolaterale. PLoS One. 8, (2013).
- McNaughton, B. L., O'Keefe, J., Barnes, C. A. The stereotrode: a new technique for simultaneous isolation of several single units in the central nervous system from multiple unit records. J Neurosci Methods. 8, 391-397 (1983).
- Hill, D. N., Mehta, S. B., Kleinfeld, D. Quality metrics to accompany spike sorting of extracellular signals. J Neurosci. 31, 8699-8705 (2011).
