Summary
Apprendre de nouvelles associations stimulus-réponse engage un large éventail de processus neuronaux qui sont finalement pris en compte dans l'évolution sortie de pic de neurones individuels. Nous décrivons ici un protocole de comportement permettant un enregistrement continu de l'activité unique neurone tandis que les animaux acquièrent, éteindre, et réacquérir une réponse conditionnée dans une seule session expérimentale.
Abstract
Bien que le sujet de l'apprentissage a attiré un immense intérêt des scientifiques à la fois comportementales et neuronales, seulement peu de chercheurs ont observé une activité unique neurone tandis que les animaux acquièrent une réponse opérante conditionné, ou lorsque cette réponse est éteint. Mais même dans ces cas, les périodes d'observation comprennent généralement une seule étape de l'apprentissage, c'est à dire l'acquisition ou de l'extinction, mais pas les deux (exceptions comprennent des protocoles utilisant l'apprentissage de retournement; voir Bingman et al 1 pour un exemple.). Toutefois, l'acquisition et l'extinction comportent des mécanismes d'apprentissage différents et devraient donc être accompagnés par différents types et / ou loci de la plasticité neuronale.
En conséquence, nous avons développé un modèle de comportement qui institue trois stades de l'apprentissage en une seule session de comportement et qui est bien adapté pour l'enregistrement simultané de l'action des potentiels des neurones simples de. Animaux unre formé sur une tâche de choix forcé seul intervalle qui nécessite la cartographie chacun des deux choix de réponses possibles à la présentation des différents nouveaux stimuli visuels (d'acquisition). Après avoir atteint un critère de performance prédéfini, l'une des deux réponses à choix n'est plus armé (extinction). Après une certaine décroissance du niveau de performance, les bonnes réponses sont encore renforcés (réacquisition). En utilisant un nouvel ensemble de stimuli à chaque session, les animaux peuvent subir le processus d'acquisition extinction-réacquisition à plusieurs reprises. Parce que tous les trois étapes de l'apprentissage se produisent en une seule session de comportement, le paradigme est idéal pour l'observation simultanée de la sortie de dopage de plusieurs neurones individuels. Nous utilisons les pigeons comme des systèmes modèles, mais la tâche peut facilement être adapté à d'autres espèces capables d'apprendre de discrimination conditionné.
Introduction
Apprendre de nouvelles associations stimulus-réponse-résultat engage un large éventail de processus de plasticité neuronale. Ces procédés sont en fin de compte en compte dans la production de la modification transitoire des neurones individuels. Sans doute, l'un des paradigmes les plus fréquemment employé d'apprentissage est pavlovien conditionnement de la peur menée par les rongeurs. Dans ce cadre, l'acquisition et l'extinction d'une réponse conditionnée ont lieu dans quelques dizaines d'essais 2. Le développement rapide de la peur conditionnée peut être avantageux car il permet l'exécution d'un grand nombre d'animaux dans un court laps de temps. En outre, l'acquisition et l'extinction peuvent être observées dans quelques dizaines d'essais sur un seul jour chez les animaux naïfs 3,4 ou répartis sur 2 à 3 jours 2,5-8. Cependant, les connaissances acquises sur les changements de l'activité neuronale pendant l'apprentissage dans ces expériences ne s'appliquent pas nécessairement à l'extérieur du domaine de conditionnement de la peur. Par exemple, le comportement orienté vers un but entraînée par positionrenforcement tive est plus adéquate modélisé par opérant plutôt que des procédures de conditionnement pavlovien, et peut en partie dépendre de différents substrats neuronaux 9,10. Aussi, conditionnement de la peur se développe si rapidement que les réponses neuronales à la CS ne peuvent être observées pour les quelques dizaines de procès, imposant de sévères limites à l'analyse des changements de l'activité neuronale pendant l'apprentissage.
Malheureusement, l'acquisition et l'extinction de répondre opérant prend habituellement plusieurs jours. Cela est préjudiciable pour les enquêtes neurophysiologiques, car il est notoirement difficile à enregistrer l'activité des cellules individuelles pendant plus de quelques heures. En raison de la grande similitude des formes d'onde des potentiels d'action extracellulaire enregistrées, il est problématique d'affirmer que les pics enregistrés dans une journée sont générés à partir de la même cellule que les pointes avec des formes d'onde similaires enregistrées sur la prochaine 11,12, en particulier dans les zones à forte densité de cellules tel que l'hippocampe.
(Columbia livia domestica forma) sont des organismes modèles classiques en psychologie expérimentale 13-17. Ces oiseaux sont capables d'effectuer des discriminations visuelles complexes 18, peut s'adapter avec souplesse à l'évolution des comportements contingences de renforcement 19,20, et sont des travailleurs uniquement avides, effectuer des essais avec 1000 montant minimum de ferraillage. Ces caractéristiques les rendent particulièrement approprié pour les expériences décrites ci-dessous.
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Protocol
Déclaration d'éthique
Toutes les expériences ont été menées en conformité avec les directives allemandes pour le soin et l'utilisation des animaux en science. Procédures ont été approuvées par un comité national d'éthique de l'Etat de Rhénanie du Nord-Westphalie, Allemagne.
Présentation du système
Opérant Chambre Test
La chambre opérant (Figure 1) mesure 34 cm x 34 cm x 50 cm. Trois touches translucides de réponse (4 cm x 4 cm, situé à environ 20 cm au-dessus du niveau du sol) sont encastrés dans le mur du fond de la chambre. Stimuli sont présentés à travers un écran plat LCD monté derrière les touches de réponse. Deux ampoules de 2 Watt situés dans les parois latérales assurent un éclairage faible. La chambre se trouve dans une cabine insonorisant pour masquer des sons parasites. Les haut-parleurs offrent un bruit blanc à tout moment. Alimentation (grain) est fournie par une trémie d'aliments situé en dessous de la centclé er. Matériel expérimental est contrôlé par code MATLAB écrite sur mesure 21. Les animaux sont surveillés en permanence au moyen d'un appareil photo numérique fixé à la paroi avant de la chambre.
Microdrive personnalisés construits
Microdrive abritant 16 fils électrodes sont fabriquées sur mesure dans notre laboratoire; la conception est basée sur le travail de Bilkey et collègues 22,23, et le lecteur est renvoyé à ces articles pour une description détaillée. Nous avons modifié leur conception afin de permettre à un plus grand nombre d'électrodes (16 au lieu de 8; 25 um fils de nichrome), et nous nous connectons les fils d'électrode par de la colle conductrice d'argent à la prise de headstage. En outre, nous utilisons la dorure des pointes d'électrodes pour réduire l'impédance et d'obtenir de meilleurs rapports signal sur bruit (appliquer -3 V pour ~ 3 sec; impédances devraient tomber à <100 kQ).
Une fois le microdrive est assemblé, les électrodes sont coupées à la longueur désirée, des conseils sont Laveried dans un bain à ultrasons (Tergazyme dans l'eau distillée) pendant 20 minutes et rincés autre 20 min dans de l'eau distillée. Plaqué or de pointes d'électrodes doit avoir lieu immédiatement avant l'implantation. Pour la terre, nous utilisons une électrode à boule d'argent placé au-dessus du cervelet latéral. Spécification des matériaux est fourni dans le tableau des matériaux qui accompagne cet article.
Une question importante lorsque vous travaillez avec des animaux se déplaçant librement est des artefacts de mouvement. Nous avons constaté que des artefacts de mouvement dans nos configurations sont largement dues à une impédance élevée) d'électrodes (> 500 kQ) et b) la fixation imparfaite des contacts entre le bouchon (implant) et la prise (headstage) alors que l'animal est en mouvement. Une variété de micro-connecteurs disponibles sur le marché ne fonctionne pas de manière satisfaisante pour l'enregistrement de se déplacer librement les oiseaux, parce que le contact mécanique entre mâle et femelle se détériore rapidement par des mouvements vigoureux des pigeons (tête-pompage, touche-à picorer). La meilleure liaison mécanique entre l'implant et headstage a été réalisée avec des ensembles de headplug de Ginder scientifique. Ces ensembles fiche-prise disposent de 18 contacts et sont solidement fixés les uns aux autres par une bague.
Configuration d'enregistrement électrophysiologique
La configuration de l'électrophysiologie comprend les éléments suivants: 1) un headstage sur mesure avec un gain unitaire (amplificateur opérationnel) 2) modules amplificateurs 15 différentiel logés dans deux unités montées sur baie (DPA-2FS et EPM-07, respectivement; NPI electronic GmbH, Allemagne ), 3) un 16-canal analogique-numérique (puissance 1401 marque I). Les signaux bruts sont amplifiés 1000 x et passe-bande filtrés (500-5000 Hz, 1 er filtre d'ordre), numérisé avec un taux de 16-20 kHz d'échantillonnage et stockés avec Spike2 version 7.06a pour le traitement hors ligne. L'heure des événements (tels que l'apparition de relance ou picore clés individuelles de l'animal) sont capturées via parallèle une boîte port IO laboratoire intégré (voir Rose; Et al 21) et transmis au convertisseur AD pour le stockage avec les données neurophysiologiques (voir la figure 1).. Le traitement hors ligne est décrite plus en détail ci-dessous.
Figure 1. Présentation du système. Des flux d'information est symbolisée par des flèches colorées. Ordinateur 1 commande de matériel se rapportant à la sortie comportementale (affichage de relance par le moniteur à écran plat, maison de la lumière, de la trémie de nourriture, la lumière d'alimentation, touches de réponse) et envoie horodatage de l'événement pour le convertisseur AD. Informatique 2 magasins signaux neurophysiologiques obtenues à partir du convertisseur A / D et horodatage des événements reçus de l'ordinateur 1. La photo de gauche montre la chambre de conditionnement à l'intérieur de la cabine de son atténuation. Ses éléments sont les suivants: 1) la coquille d'atténuation sonore, 2-4) clé de réponses, 5) trémie d'alimentation, 6) la lumière d'alimentation 7) maison de lumière, 8) caméra d'observation.
Unique Intervalle choix forcé (SIFC) Discrimination Groupe
Pour plus de clarté, nous allons décrire la tâche finale SIFC ici et ensuite expliquer les étapes nécessaires pour dresser des animaux sur cette tâche ci-dessous.
La tâche SIFC est décrit dans la figure 2. Après l'intervalle intertrial (ITI) est écoulé, la touche centrale est radiographié vert pour 5 sec («phase d'initialisation»). Immédiatement après la troisième réponse de l'animal dans les 5 secondes, une personne sur plusieurs stimuli de l'échantillon est présenté sur la touche centrale pendant 2 secondes ("phase de l'échantillon"; exemple stimuli sont présentés dans l'encart de la figure 2). Après 2 secondes, sur la touche centrale est de nouveau transilluminé vert, et l'animal doit répondre une fois de plus avant que les deux touches latérales sont transilluminé ("phase de confirmation»). En fonction de l'identité du stimulus montrédans la phase de l'échantillon, l'animal est nécessaire pour diriger une réponse unique soit à la la touche de droite («phase choix») gauche ou. Si elle choisit la bonne destination, accéder à récompenser (grain) est accordée pendant 2 secondes. Ainsi, le noyau de la tâche consiste à répondre à la touche de choix à gauche après présentation d'un stimulus particulier sur la touche centrale, et répondant à la touche de choix juste après la présentation d'un autre stimulus. La raison pour laquelle la phase d'échantillonnage est crocheté par une initialisation et une phase de confirmation consiste à maintenir la tête de l'animal en face de la touche centrale tandis que l'échantillon stimulus est présentée.
Une fois les maîtres d'animaux de cette tâche pour une seule paire de stimuli (ci-après, les stimuli «familier», FS), il est présenté avec un nouveau stimulus (NS) paire dans chaque nouvelle session, et doit apprendre lequel des deux nouveaux stimuli est être suivie d'une réponse à la la clé de choix gauche ou de droite. La paire de FS continue d'être présenté au cours èmeose expériences au service de l'état de commande approprié. Une performance adéquate sur la tâche finale dépend essentiellement de la volonté des animaux pour effectuer les essais> 1000 à probabilités globales de renforcement <0,5. Les paragraphes suivants décrivent un procédé de formation dans lequel la complexité de la tâche est graduellement augmentée jusqu'à ce que l'animal atteigne le niveau de la SIFC; dans le même temps, le renforcement probabilité et le nombre d'essais par session doivent être augmentés pour assurer des performances élevées sur la tâche finale.
1. Formation des animaux
- Restriction alimentaire
- Peser les animaux après au moins deux semaines d'accès libre à la nourriture. Prenez ce poids que le poids alimentation libre. Restreindre l'accès alimentaire au cours des 1-2 prochaines semaines jusqu'à ce que les animaux atteignent 85% de leur poids alimentation libre.
- Il est essentiel que les pigeons de maintenir une apparence physique saine et une activité normale pendant toute la durée de l'ensemble de l'expérience. ÀA cette fin, suivre attentivement l'apparence et le poids des animaux à travers toute la durée de la formation et les tests de comportement. Peser les animaux avant et après chaque session expérimentale pour évaluer l'apport alimentaire quotidien. Fournir de la nourriture supplémentaire si nécessaire pour éviter la perte de poids. Fournir un accès illimité à la nourriture le week-end.
- Autoshaping
Autoshaping sert à habituer l'animal à la chambre expérimentale et établir réponse conditionnée.- Présenter un stimulus visuel 5 sec (ci-après, l'initialisation de relance, IS) sur la touche centrale. Immédiatement après la fin de l'IS ou d'un seul coup de bec à la clé de réponse (ce qui vient en premier), éteindre l'éclairage des touches et présente récompense alimentaire (2 d'activation sec de la trémie de la nourriture).
- Gardez l'ITI considérablement plus long que le temps de présentation d'échantillons pour faciliter l'apprentissage 24. Utilisez des valeurs de 120 sec pour ITI et courir 40 essais par jour. Plus tard réutiliser l'ISque le stimulus clé initialisation, la confirmation, et le choix de la tâche finale (voir la figure 2). Cette phase de formation prendra les animaux environ une semaine.
- Une fois que l'animal répond de manière fiable (dans> 85% des essais), de diminuer le pas à pas vers le bas de l'ITI à 10 secondes et le temps de présentation de l'échantillon vers le bas à 2 sec. Dans le même temps, d'augmenter le nombre de réponses requises de renfort à 3 (de 3 à rapport fixe, FR 3). En outre, d'augmenter le nombre total d'essais par jour. Choisir des paramètres tels que l'animal est formé chaque jour pendant environ 1 heure. Cette phase de formation durera environ deux semaines.
- Répétez les étapes 1.2.1 - 1.2.3 pour les touches de réponse gauche et droite jusqu'à ce que les sujets répondent de façon fiable à l'IS sur les 3 touches. Autres essais avec activation de la touche centrale hasard gauche, à droite, et.
- Maintenant présenter l'est d'abord au centre puis, subordonnée à une réponse, à chaque touche latérale (omettre le renforcement de laResponse Center clé). Autres touches latérales activés aléatoirement d'un essai à. Fin des essais où le sujet ne répond pas à la touche centrale après 5 sec. Répétez jusqu'à ce que l'animal exécute de manière fiable (~ 3 jours).
- Introduire 2 nouveaux stimuli qui sera plus tard servir de FS dans la dernière tâche (voir Figure 2, encadré, pour des exemples). Répétez les étapes 1.2.1 - 1.2.3 à ces stimuli. Répondant seront établis plus rapidement que le premier stimulus, habituellement dans les 4 jours.
Figure 2. Illustration du paradigme comportemental. Après une ITI de 5 secondes, la touche centrale est radiographié vert pour 5 sec (initialisation). Si l'animal répond 3x dans les 5 secondes, 1 sur 4; Stimuli de l'échantillon est présenté à la même position. Après un temps de présentation de l'échantillon fixe de 2 secondes pendant lequel l'animal doit répondre au moins une fois, la clé hiérarchie centrale est radiographié à nouveau vert (confirmation). Après un coup de bec, les touches latérales 2 sont transilluminé vert. Le sujet indique son choix en répondant à la fois l'une des touches latérales. Lors de l'acquisition et réacquisition, les réponses correctes sont suivies par 2 accès à la nourriture sec accompagné d'activation de la lumière d'alimentation, ou l'activation de la lumière d'alimentation seule. Si incorrect, lumières de la maison sont éteintes pendant 3 sec. Au cours de l'extinction, les réponses correctes et incorrectes à la relance de l'extinction restent sans conséquence. En médaillon, par exemple de nouvelles et de relance familier paires.
- Formation d'un unique intervalle choix forcé (SIFC) Groupe pour Familiar stimuli
- Établir la séquence complète de l'initialisation, l'échantillon, la confirmation, et le choix: à chaque essai, présente fiTVD l'IS (FR 3), puis l'un des deux FS (2 sec de durée déterminée), puis de nouveau l'IS (FR 1). Utilisez un design choix invité: à chaque essai, transillumination uniquement la clé de choix qui est correct pour la FS donné. Cette phase de formation devrait prendre environ 1 semaine.
- Une fois que le sujet effectue de manière fiable (> 85% de réponses à la touche latérale respective), introduire essais libre choix (les deux touches latérales transilluminé pendant la phase de choix). Si l'animal répond du bon côté, donner accès à la nourriture pendant 2 secondes. Réponses incorrectes sont suivies par la peine de time-out (hors houselights pendant 2 secondes). Si aucune réponse n'est donnée à moins de 3 secondes, mettre fin à procès et redémarrez l'IIT. Animaux apprennent généralement ces sous-composantes de la tâche dans les 2 semaines.
- Peu à peu augmenter la fraction d'essais libre-choix au cours des sessions suivantes de 20% à 100%.
- Si le sujet effectue> 90% de réponses correctes dans les essais libre-choix, diminuer récompense probabilité de réponses correctes à 0,5tandis qu'en parallèle l'augmentation du nombre d'essais par session de 1000. Ne pas modifier les paramètres chaque jour / session, mais les choisir en fonction de souplesse au niveau du sujet concernant les omissions d'initialisation et le pourcentage de réponses correctes performances. Cette phase de formation durera environ 4 semaines.
- Pigeons ont tendance à refuser de répondre à des stimuli inconnus. Par conséquent, une fois que l'animal exécute de manière fiable> 1000 essais, les réponses de la forme au grand ensemble de stimuli visuels (voir section 1.2). Cependant, ne pas preexpose les stimuli visuels destinés à être utilisés plus tard en tant que nouveaux stimuli dans le paradigme final, mais les écrans couleur uniformes.
- Finale simple Intervalle choix forcé des tâches avec des stimuli nouveaux sous différentes conditions de renfort
- Échauffement
Que l'objet effectuer 50 essais avec seulement les FS. Réglez récompense probabilité pour ces stimuli à <1 (par exemple, de 0,5 à 0,8) pendant toutes les phases de prévention satiété précoce et,par conséquent, le manque de motivation pour répondre. - Acquisition étape
Essais au hasard alternent avec présentation de FS et NS. Affecter des touches d'intervention différents que correct pour les deux NS et renforcer chaque réponse correcte. Calculer le pourcentage de réponses correctes en moyenne mobile sur les 120 derniers essais. Acquisition est considérée comme terminée lorsque la performance pour chacun des NS dépasse 85%, mais pas avant un minimum de 150 essais ont été exécutés. - Stade d'extinction
Arrêtez de renforcement des réponses correctes et incorrectes punir pour un NS aléatoire (extinction de relance). Commencez la phase réacquisition quand correcte répondant à la stimulation de l'extinction descend en dessous de 60% et l'animal a vécu au moins 150 essais dans cette phase au total. - stade de réacquisition
Encore une fois renforcer correcte et punir les mauvaises réponses à la stimulation de l'extinction, comme lors de la phase d'acquisition. Fin à la session lorsque les performances de ce stimulus dépasse 85% et l'animals effectué au moins 150 essais dans cette phase au total.
- Échauffement
2. Électrophysiologie
- Electrode Implantation
la chirurgie d'implantation a lieu après les animaux à plusieurs reprises (3-4x) complété la séquence d'acquisition extinction-réacquisition entier et est décrit plus en détail dans d'autres 25.- Placez 5-6 microsrews en acier inoxydable sur le crâne pour l'ancrage de montage d'une tête de ciment dentaire, y compris le microdrive.
- Effectuer une craniotomie juste au-dessus de la région du cerveau d'intérêt; alors disséquer soigneusement la durée et réduire les électrodes à la position désirée.
- Avant l'ancrage du microdrive à la tête de montage, appliquer de la vaseline autour de la canule de guidage; ceci empêchera ciment dentaire à partir enveloppant le tube de guidage.
- Utilisez une électrode à boule d'argent isolé placé sous le crâne recouvrant le cervelet sol.
- Fournir des animaux avec des analgésiques (Carprofen, 10 mg / kg, injecté deux fois par jour) pendant trois jours après la chirurgie. Permettent aux animaux de récupérer pendant au moins 2 semaines.
- Alors que les enregistrements Animaux effectuer la tâche
- Utilisez une nouvelle paire de nouveaux stimuli pour chaque session et l'avance des électrodes au moins 125 um (un demi-tour de la vis d'entraînement) avant de commencer. Si aucun des potentiels d'action de rapport suffisant signal-sur-bruit sont observées, interrompre la session, placer l'animal dans la cage de la maison et essayer de nouveau le lendemain.
- Disposer le câble headstage de telle sorte qu'il n'interfère pas avec le picage normale de l'animal et le comportement alimentaire. Ceci peut être réalisé en connectant le câble avec plusieurs sangles élastiques à la partie supérieure de la chambre de conditionnement et habituer les oiseaux pour le câble attaché pour quelques heures.
- Si possible, faire usage d'un collecteur pour assurer la liberté de mouvement supplémentaire pour les oiseaux.
- Analyses de signaux en mode hors connexion
- Band-pcul-filtre tous les canaux de 500 à 5000 Hz avec raide déconnecté roll-offs en utilisant Spike2. Extrait pointes avec des seuils d'amplitude et de les trier manuellement en utilisant l'analyse en composantes.
- Examinez le tri des résultats avec le code MATLAB écrite sur mesure (disponibles dans les fichiers MATLAB Central change, ID du fichier # 37339). Une seule unité bien isolé (figure 3) doit répondre à tous les critères suivants: a) un groupe clairement séparés en principal espace de composant, b) aucun signe de multiples unités quand tous les signaux enregistrés sont superposées et tracés en carte de chaleur (figure 3A ), c) répartis symétriquement amplitudes pic de forme d'onde (figure 3B), d) un enregistrement stable tout au long de la session, comme en témoigne l'amplitude immuable de pointe (figure 3C), e) aucun ou très peu d'événements de pointe qui se produisent au cours de la période réfractaire de la pointe précédente (Figure 3D), et un rapport signal-sur-bruit (SNR) d'au moins deux (SNR est ici defined comme la différence entre le minimum et le maximum de la forme d'onde de pic en moyenne, divisée par la largeur de la bande rognée de bruit (2,5 e et 97,5 e centile de la distribution des valeurs du premier casier de toutes formes d'ondes)). SNR de l'appareil représenté sur la Figure 3 est de 3,9.
- Inspectez déconnecté canaux première pour des objets proches du mouvement. Jeter les canaux lorsqu'il est indiqué.
- Artefacts électriques qui se produisent pendant hiérarchie clé peuvent dans de rares cas être confondus avec les formes d'onde de pic appropriées. Test de la contamination des enregistrements en examinant le temps histogramme de pointe compte par rapport à chaque passe (péri-picorer histogramme de temps, PPTH, figure 3E) enregistré clé. Artefacts induits picorer-apparaissent comme un pic dans la proximité de l'histogramme (± 50 ms) à l'instant 0. Comme un contrôle supplémentaire, tracer les formes d'onde de tous les événements de pointes putatifs enregistrés à ± 20 ms d'un coup de bec clé séparément et de le comparer à pic formes d'onde détectées outside cette fenêtre (figure 3F).
Mesures figure 3. Qualité pour l'isolement de l'unité. A) la carte de chaleur des valeurs de temps de tension de toutes les formes d'onde. B) Distributions maximale (rouge), minimum (vert), et le bruit (bleu) de tension de toutes les formes d'onde. Les distributions sont bien séparés, indiquant une excellente isolation de l'unité. C) taux spontané de tir (rouge, calculé à partir des segments de 2 secondes dans tous les intervalles intertrial) et des amplitudes de pic (crête-à-crête) en fonction du temps en session. Les deux courbes ont été lissées avec une fonction de wagon (largeur: 50 points de données) D) la distribution Interspike intervalle pour cet appareil.. Largeur Bin, 10 ms (encart: 1 ms). Des intervalles très courts sont presque absents (<0,1% des intervalles inférieurs à 4 ms). <strong> E) PSTH déclenché à coups de bec clés. chiffres de l'événement à proximité de la clé picorer (± 20 ms) sont mis en évidence en rouge. F) Tous les 157 formes d'ondes enregistrées à ± 20 msec des événements clés picotin. Les formes d'onde se comparent favorablement à la forme d'onde globale montré dans le panneau A.
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Representative Results
Comportement
La figure 4A montre les performances de comportement d'un animal dans une session d'exemple. Le niveau de l'animal de performance atteint critère pour NS 2 dans les 180 essais (45 présentations de relance) et est proche de 100% pour la NS 1 depuis le début. Cette stratégie - la première réponse à la même clé pour deux nouveaux stimuli, et puis en ajustant les réponses pour l'un des stimuli - est à peu près aussi souvent observé comme initiale aléatoire de répondre à deux NS. Dans cette session, le NS 2 a été choisie au hasard pour subir extinction, ce qui signifie que tous les choix suivants ce stimulus restent sans conséquence (transition entre les étapes d'apprentissage sont indiqués par des lignes pointillées noires verticales). Au cours de l'extinction, la performance diminue pour la relance de l'extinction, mais reste élevée pour l'autre NS. Critère est atteint dans l'essai 370. Réponses correctes et incorrectes sont maintenant renforcées et punis nouveau (nouvelle acquisition) et le niveau de performance atteint critère. procès 402 niveau de performance pour FS est constamment élevée (> 95%; données non présentées). b) nombre d'essais nécessaires pour compléter chaque étape de l'apprentissage moyenne (moyenne sur 5 animaux et 44 séances au total). En moyenne, les animaux nécessaires ~ 700 essais à répondre systématiquement répondre correctement. Extinction a ~ 900 essais, et la réacquisition seulement environ 60 essais, sensiblement moins que l'acquisition initiale (figure 4B).
Figure 4. Exemples de résultats comportementaux. A) le rendement Un oiseau pour les 2 nouveaux stimuli dans les trois étapes de l'apprentissage. Courbes représentent de bons choix pour cent (moyenne au cours des 120 derniers essais, correspondant à 30 présentations du stimulus respectif) en fonction du nombre total d'essais, séparément pour roman stimulnous 1, nouveau stimulus 2, et en moyenne sur les deux stimuli. Performance de stimuli familiers été constamment supérieur à 95% de réponses correctes (données non présentées) B) le nombre d'essais nécessaires pour atteindre des performances de critère dans chacune des trois étapes de l'apprentissage moyenne.; barres d'erreur, SEM.
Neural données
La figure 5 montre le schéma de réponse de deux unités dans le nidopallium caudolaterale (NCL) enregistré pendant un animal effectuait la tâche SIFC. la modulation de la réponse lors de la présentation de la SN est représenté sur la figure 5A. Dans la phase d'acquisition, les unités répondent fortement à 2 NS (désignée pour l'extinction), avec la baisse des réponses vers la fin de la phase d'acquisition et de peu de changement en cours de mise à feu des deux autres phases d'apprentissage. Il ya peu de répondre à NS 1 dans l'ensemble de la session. L'augmentation de réponse environ 3-4 secondes après le début du stimulus échantillon est due à récompenser la livraison. Les niveaux d'activitérelatives à des stimuli connus n'ont pas été modulées (données non présentées).
Figure 5B affiche le motif d'une autre unité NCL enregistrée au cours SIFC de réponse. Ce neurone répond cours vers la gauche les mouvements de droite, mais pas (en haut à gauche), évocateurs de codage sensori-moteur. Cependant, la force de réponse changé au cours des étapes de l'apprentissage: les deux panneaux les plus basses montrent fonctions de densité de pointe (SDF) déclenchés à des choix vers la droite pour un familier (à gauche) et un nouveau stimulus (à droite), divisé en quartiles successifs pour illustrer le développement à travers la session expérimentale. Les réponses ont été plus faibles pour le stimulus familier tout au long de la session, même si les temps de déplacement moyen pour les deux conditions de relance étaient très similaires (en haut à droite). En outre, les réponses pendant choix vers la droite après la présentation du roman mais pas le stimulus familier diminué au cours de la session expérimentale (pas en parallèle par une diminution de sapin de référencetaux ING). Ainsi, les deux neurones ont diminué de cuisson en tant que nouvel stimulus particulier est devenu de plus en plus familière, avec le neurone de la figure 5B codant pour un mouvement spécifique en plus de la nouveauté du stimulus qui précède que le mouvement.
Modèles de deux unités d'exemple enregistré au cours de la tâche SFIC. A) de Spike densité fonctions déclenchées à l'apparition de la 2 nouveaux stimuli NS 1 et NS 2 (rangée supérieure et inférieure, respectivement) Figure 5. Réponse, se séparent pour 3 phases d'apprentissage (colonnes ), avec des réponses à chaque phase d'apprentissage de nouveau divisé en 3 parties égales (début, milieu, fin). NS 2 a été désigné pour l'extinction. PSTHs (largeur de bac 1 ms) ont été lissées avec un noyau gaussien exponentielle modifiée (σ = 100 ms et τ = 100 ms). B)
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Discussion
Ce protocole décrit une tâche comportementale complexe adapté aux enregistrements unitaires simultanées. Nous avons décrit la tâche SIFC pour les pigeons, mais il peut être facilement adapté aux rongeurs en exigeant pokes nez ou levier de pression plutôt que des coups de bec clés, et son remplacement par visuel olfactif, auditif, ou stimuli tactiles.
Peut-être les étapes les plus critiques lors de la procédure de formation sont: 1) la réduction progressive de la récompense probabilité et 2) l'augmentation du nombre de procès. En ce qui concerne le renforcement intermittent pour les stimuli familiers, nous avons décidé sur les probabilités de récompense allant 0,5 au 0,8; ceux-ci sont suffisamment élevés pour produire une performance stable mais suffisamment basse pour éviter la satiété précoce. Cela dit, de nombreux oiseaux sont prêts à bien performer pour les probabilités de fidélité jusqu'à 0,2.
Le grand nombre d'essais par session (500-1500) est nécessaire parce que l'acquisition, l'extinction et la réacquisition de répondre si conditionnémply nécessite cette nombreux essais, et parce que l'estimation précise du taux de combustion est difficile avec moins de, disons, 25 essais, en particulier lors de l'enregistrement de neurones avec des taux de combustion faibles (dans la NCL, le taux d'allumage de base sont <1 Hz). Par conséquent, nous avons mis le nombre minimum d'essais nécessaires pour compléter une phase d'apprentissage de telle sorte que chaque stimulus est représenté au moins 35 fois.
Pour un animal naïf, formation sur la tâche SIFC prend environ 4 mois, mais la durée exacte dépend fortement de l'individu. En raison de la forte demande de la tâche, il est fort probable que tous les animaux finissent par de bons résultats sur le paradigme final. Si un oiseau individu passe trop nombreux essais ou produit des taux d'erreur élevés pendant la formation, n'hésitez pas à remplacer ce sujet. Dans notre expérience, il est très probable que cet animal ne sera jamais exécuter correctement la tâche finale.
La plupart des études précédentes qui effectuent les enregistrements unitaires danspigeons se déplaçant librement n'ont pas réussi à enregistrer correctement la puissance du moteur pendant l'enregistrement. Cela complique l'interprétation des réponses neuronales pendant les périodes critiques des essais, comme exemple de présentation ou de retarder les phases 25. Ce problème est inhérent à go / no-go tâches dans lesquelles l'expérimentateur ne sait généralement pas ce que le sujet fait sur no-go essais; la même réserve s'applique à des tâches de mémoire de travail incorporant une période de retard prolongé. Pour obtenir un contrôle sur le mouvement des animaux sans employer tête-fixation, nous avons conçu une tâche dans laquelle les animaux doivent effectuer la même action (hiérarchie clé) même si les conditions (stimuli de l'échantillon) changement. Dans notre paradigme SIFC, à la fois l'entrée visuelle ainsi que la puissance du moteur est bien contrôlés et surveillés en permanence. Puisque les animaux sont tenus à picorer à chaque échantillon de relance au long de son exposé, nous gardons moteur constant de sortie tandis que les animaux sont affichés stimuli ayant des antécédents d'apprentissage. Nous étudions actuellement méthods pour atteindre un meilleur contrôle de la puissance du moteur, telles que la fixation d'un accéléromètre pour la headstage pour l'enregistrement continu des mouvements de la tête. En outre, nous développons des méthodes pour mesurer la force de chaque touche picorer au moyen d'un transducteur mechanoelectric.
Notre paradigme permet de démêler les contributions des sensoriel, moteur, et les variables cognitives à des taux de combustion de neurones en identifiant les caractéristiques typiques de réponse de neurones. Par exemple, on s'attend à un neurone prémoteur des réponses vers la gauche pour augmenter tir pendant la phase échantillon à chaque fois que l'animal va faire une réponse vers la gauche, indépendamment de l'identité de relance. De même, les neurones moteurs simples on peut s'attendre à feu lors de picorer clé, ou le mouvement de gauche ou la droite. Un neurone représentant récompense attente, d'autre part, serait déclenché pendant la phase d'échantillonnage, et plus encore pour les FS que les NS pendant acquisition précoce (car la récompense subjective probabilité est plus élevée sur FS que NS trEIAA NS sont tirés), mais cela ne devrait inverser plus tard, lorsque les NS sont systématiquement classés correctement (parce récompense objectif probabilité est plus élevée sur NS essais corrects). Finalement, les neurones sensibles aux caractéristiques de relance devraient tirer constamment à l'un des stimuli de l'échantillon sans modification à travers différentes phases d'apprentissage.
Parce que l'enregistrement de l'unité extracellulaire est sujette à enregistrer des pointes de plusieurs unités à la fois 11,26, l'inspection d'une gamme de mesures de qualité est important de classer correctement les pointes comme provenant d'un seul ou de plusieurs neurones 27. Utilisation tétrodes au lieu de simples électrodes serait certainement donner une augmentation supplémentaire de la qualité du tri 11. Cela devrait être considéré lorsque les enregistrements dans les régions du cerveau avec une haute densité cellulaire (par exemple l'hippocampe) ou d'une activité spontanée très élevé (comme le entopallium) sont destinés. Toutefois, les microplugs que nous utilisons ne sont disponibles que pour un maximum de 18 connexions qui pour l'instant constituent une limite supérieure sur le nombre total de canaux d'enregistrement.
En somme, nous avons développé une tâche d'une grande complexité pour les animaux de laboratoire non-primates. Cette tâche a été adaptée pour permettre à l'enquête de phénomènes d'apprentissage avec des enregistrements mono-neurone, mais en même temps est approprié pour aborder des sujets tels que la catégorisation, la prise de décision, et le codage de récompense.
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Disclosures
Les auteurs n'ont rien à révéler.
Acknowledgments
Cette recherche a été financée par des subventions de la Fondation allemande pour la recherche (DFG) à MCS (POUR 1581, STU 544/1-1) et OG (POUR 1581, SFB 874). Le site de la DFG est http://www.dfg.de/en/index.jsp. Les bailleurs de fonds n'ont joué aucun rôle dans la conception de l'étude, la collecte et l'analyse des données, la décision de publier, ou de la préparation des auteurs manuscript.The remercier Thomas Seidenbecher pour nous fournir le protocole dorure ainsi que Tobias Otto de l'aide pour la mise en place de la électrophysiologique matériel d'enregistrement.
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
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