Summary
Das Erlernen neuer Stimulus-Antwort-Assoziationen greift in eine Vielzahl von neuronalen Prozesse, die letztlich in wechselnden Spitzenleistung von einzelnen Neuronen reflektiert werden. Hier beschreiben wir eine Verhaltensprotokoll, das für die kontinuierliche Registrierung von Single-Neuronen-Aktivität während Tiere zu erwerben, zu löschen und Wiedererlangung eine konditionierte Reaktion innerhalb eines einzigen experimentellen Sitzung.
Abstract
Während das Thema Lernen hat großes Interesse sowohl von Verhaltens-und neuronale Wissenschaftler angezogen, haben nur relativ wenige Ermittler Single-Neuronen-Aktivität beobachtet, während die Tiere den Erwerb eines operant konditionierte Reaktion, oder wenn die Antwort wird ausgelöscht. Aber auch in diesen Fällen Beobachtungsperioden umfassen in der Regel nur eine einzige Stufe des Lernens, dh Erwerb oder Aussterben, aber nicht beide (Ausnahmen sind Protokolle Einsatz Umkehrung Lernen, siehe Bingman et al 1 für ein Beispiel.). , Den Erwerb und das Aussterben sind jedoch mit verschiedenen Lernmechanismen und wird daher erwartet, die von verschiedenen Typen und / oder Orte der neuronalen Plastizität einhergehen.
Dementsprechend entwickelten wir ein Verhaltens Paradigma, das Institute drei Phasen des Lernens in einer einzigen Sitzung und Verhaltens was für die gleichzeitige Aufnahme von Aktionspotentialen einzelner Neuronen "gut geeignet. Tiere einSie sind auf einer Single-Intervall Wahl gezwungen Aufgabe, die Zuordnung jeder Wahl von zwei möglichen Antworten auf die Präsentation der verschiedenen neuartigen visuellen Reizen (Erwerb) erfordert geschult. Nachdem eine vordefinierte Leistungskriterium, einer der beiden Wahl-Antworten erreicht ist nicht mehr verstärkt (Extinktion). Nach einer gewissen Reduzierung der Leistungsebene werden wieder richtige Antworten (Rückkauf) verstärkt. Durch die Verwendung einer neuen Reihe von Stimuli in jeder Sitzung können Tiere die Übernahme-Aussterben-Rückkauf-Prozess immer wieder zu unterziehen. Da alle drei Phasen des Lernens in einer einzigen Sitzung Verhaltens auftreten, ist das Paradigma ideal für die gleichzeitige Beobachtung der Aufstock Ausgabe von mehreren einzelnen Neuronen. Wir verwenden Tauben als Modellsysteme, aber die Aufgabe kann leicht auf andere Spezies, die Diskriminierung Lernen Anlage angepasst werden.
Introduction
Das Erlernen neuer Reiz-Reaktions-Ergebnis Verbände greift in eine Vielzahl von Prozessen der neuronalen Plastizität. Diese Prozesse werden schließlich in der sich verändernden Spike Ausgabe einzelner Neuronen wider. Es dürfte wohl eines der am häufigsten eingesetzten Lernparadigmen Pawlowschen Angstkonditionierung mit Nagetieren durchgeführt. In dieser Einstellung wird der Erwerb und Erlöschen einer bedingten Reaktion erfolgt innerhalb ein paar Dutzend Studien 2. Die rasante Entwicklung von konditionierten Angst kann vorteilhaft sein, weil es läuft eine große Anzahl von Tieren in kurzer Zeit ermöglicht. Auch kann Akquisition und Extinktion innerhalb von ein paar Dutzend Versuche an einem einzigen Tag in naiven Tieren beobachtet 3,4 oder über 2 bis 3 Tage 2,5-8 verteilt werden. Doch über die Veränderungen der neuronalen Aktivität gewonnenen Erkenntnisse während des Lernens in diesen Experimenten nicht unbedingt außerhalb der Domäne der Angst Anlage gelten. Zum Beispiel, zielgerichtetes Verhalten von Position gefahrentive Verstärkung mehr ausreichend durch operante Konditionierung nach Pawlow, anstatt Verfahren modelliert und können zum Teil von verschiedenen neuronalen Substrate 9,10. Außerdem entwickelt Angstkonditionierung so schnell, dass neuronale Reaktionen auf die CS nur für ein paar Dutzend Studien beobachtet werden, indem strenge Grenzen auf der Analyse von Veränderungen der neuronalen Aktivität während des Lernens.
Leider ist die Akquisition und das Aussterben der operanten Regel reagiert dauert viele Tage. Dies ist nachteilig für die neurophysiologische Untersuchungen, da es bekanntermaßen schwierig ist, die Aktivität von einzelnen Zellen über mehr als ein paar Stunden aufzuzeichnen. Aufgrund der hohen Ähnlichkeit der Wellenformen des Aktionspotentiale extrazellulär erfasst, ist es problematisch, dadurch gekennzeichnet, daß Spitzen an einem Tag registriert werden aus der gleichen Zelle wie Spikes mit ähnlichen Wellenformen auf der nächsten aufgezeichneten 11,12 allem in Gebieten mit hoher erzeugt, Zelldichte wie dem Hippocampus.
(Columbia livia forma domestica) sind klassische Modellorganismen in der experimentellen Psychologie 13-17. Diese Vögel sind in der Lage, komplexe visuelle Unterscheidungen 18 durchführen, können flexibel an sich ändernde Verhalten Verstärkung Eventualitäten 19,20 und sind eindeutig begeisterter Arbeiter, die Durchführung 1000 Versuche mit minimaler Verstärkung. Diese Eigenschaften machen sie besonders geeignet für die unten beschriebenen Experimente.
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Protocol
Ethikerklärung
Alle Experimente wurden in Übereinstimmung mit den deutschen Richtlinien für die Pflege und Nutzung von Tieren in der Wissenschaft durchgeführt. Das Verfahren wurde von einer nationalen Ethikkommission des Landes Nordrhein-Westfalen, Deutschland genehmigt.
Systemübersicht
Operante Testkammer
Die operante Kammer (Abbildung 1) misst 34 cm x 34 cm x 50 cm. Drei scheinAntwortTasten (4 cm x 4 cm, ca. 20 cm über dem Boden befindet) in die Rückwand der Kammer ausgespart. Stimuli werden durch einen LCD-Flachbild hinter den Antworttasten angebracht ist. Zwei 2-Watt-Glühbirnen an den Seitenwänden bieten dim Beleuchtung. Die Kammer ist in einem schalldämpfenden Schrank auf fremde Geräusche maskieren untergebracht. Lautsprecher liefern weißes Rauschen zu allen Zeiten. Nahrungsmittel (Getreide) von einem Lebensmittelvorratsbehälter unterhalb des Cent angeordnet istäh Taste. Experimentelle Hardware wird von speziell geschriebenen MATLAB-Code 21 gesteuert. Tiere sind ständig durch eine digitale Kamera mit der Vorderwand der Kammer befestigt überwacht.
Kundenspezifische Microdrives
Microdrives Gehäuse 16 Elektrodendrähte sind in unserem Labor angefertigten; das Design ist auf der Arbeit von Bilkey und Kollegen 22,23 basiert, und der Leser wird auf diese Artikel für eine detaillierte Beschreibung bezeichnet. Wir modifizierten die Gestaltung für eine größere Anzahl von Elektroden (16 statt 8, 25 um Nichrom-Draht) zu ermöglichen, und wir verbinden die Elektrodendrähte über Leitsilber Leim auf die heads Buchse. Darüber hinaus verwenden wir Vergoldung der Elektrodenspitzen, um die Impedanz zu reduzieren und besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erreichen (-3 V gelten für ~ 3 sec; Impedanzen sollte bis <100 kOhm sinken).
Sobald das Microdrive zusammengebaut wird, werden Elektroden auf die gewünschte Länge geschnitten, sind Tipps, cleaned in einem Ultraschallbad (Tergazyme in destilliertem Wasser) für 20 min gespült und weitere 20 min in destilliertem Wasser. Vergoldung von Elektrodenspitzen sollten unmittelbar vor der Implantation zu nehmen. Für Erdung, verwenden wir eine silberne Kugel Elektrode oberhalb der seitlichen Kleinhirn platziert. Spezifikation von Materialien in der Materialtabelle, die diesen Artikel begleitet, zur Verfügung gestellt.
Ein wichtiger Punkt bei der Arbeit mit sich frei bewegenden Tieren Bewegungsartefakte. Wir fanden, dass Bewegungsartefakte in unserer Setups sind vor allem auf a) hohe Elektrodenimpedanz (> 500 kOhm) und b) unvollkommene Befestigung der Kontakte zwischen dem Stecker (Implantat) und der Steckdose (heads), während sich das Tier bewegt. Eine Vielzahl von kommerziell erhältlichen Mikrostecker nicht zufriedenstellend für die Aufnahme von sich frei bewegenden Vögel, weil der mechanische Kontakt zwischen Stecker und Buchse schnell verschlechtert sich durch kräftige Bewegungen der Tauben (Kopf-Wippen, Schlüssel-Hack). Die beste mechanische Verbindung zwischen Implantat und heads wurde mit headplug Baugruppen aus Ginder Scientific erreicht. Diese Stecker-Buchsenanordnungen 18 sind mit Kontakten und sind fest miteinander durch eine Ringmutter befestigt ist.
Elektrophysiologische Recording Setup
Die Elektrophysiologie-Setup besteht aus folgenden Komponenten: 1) eine maßgeschneiderte heads mit Unity-Gain (Operationsverstärker) 2) 15 Differenzverstärker-Module in zwei Höheneinheiten untergebracht montieren (DPA-2FS und EPMS-07 sind; npi electronic GmbH, Deutschland ), 3) ein 16-Kanal-Analog-zu-Digital-Wandler (Strom 1401 Mark I). Raw Signale werden verstärkt und 1.000 x Bandpass gefiltert (500-5000 Hz, 1 st, um Filter), digitalisiert mit einer Abtastrate von 16 bis 20 kHz und mit Spike2 Version 7.06a für die Offline-Verarbeitung gespeichert. Veranstaltungszeiten (wie Reizbeginn oder einzelne Taste pickt des Tieres) über ein Labor gebaut parallele Schnittstelle IO-Box eingefangen (siehe Rose, Et al 21) und an den AD-Wandler zur Speicherung zusammen mit den neurophysiologischen Daten (siehe Fig. 1) weitergeleitet.. Offline-Verarbeitung wird weiter unten beschrieben.
Abbildung 1. Systemübersicht. Informationsfluss wird durch farbige Pfeile symbolisiert. Computer-1 steuert Hardware in Bezug auf Verhaltens Ausgang (Stimulus-Anzeige über dem Flachbild-Monitor, Haus Licht, Nahrung Trichter-, Feeder-Licht, Antworttasten) und sendet Ereigniszeitstempel an den AD-Wandler. Computer 2 speichert neurophysiologischen Signale vom A / D-Wandler und Event-Zeitstempel erhalten von Computer-1 empfangen. Das Foto links zeigt die Konditionierungskammer im Inneren des schalldämpfenden Schrank. Seine Elemente sind: 1) Schalldämpfende Schale, 2-4) Antwort-Tastes, 5) Futterraufe, 6) Einzug Licht 7) Haus Licht, 8) Beobachtungskamera.
Einzel-Interval-Forced-Choice (SIFC) Diskriminierung Aufgaben
Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden wir die endgültige SIFC Aufgabe beschreiben und dann erklären, welche Schritte nötig sind, um Tiere auf diese Aufgabe unter trainieren.
Die SIFC Aufgabe ist in Abbildung 2 dargestellt. Nachdem die intertrial Intervall (ITI) abgelaufen ist, wird die mittlere Taste grün für bis zu 5 sec ('Initialisierungsphase') durchleuchtet. Unmittelbar nach der dritten Reaktion des Tieres innerhalb von 5 sec, ist eine von mehreren Proben Reize auf die mittlere Taste für 2 Sekunden vorgestellt (; Beispiel Reize werden in dem Einsatz bis Abbildung 2 'Probenphase "). Nach 2 sec, wird die Mitteltaste erneut durchleuchtet grün, und das Tier hat, noch einmal zu reagieren, bevor die beiden Seitentasten sind durchleuchtet ("Bestätigungsphase"). Abhängig von der Identität des gezeigten Stimulusin der Abtastphase wird das Tier benötigt, um eine einzelne Antwort auf entweder der linken oder der rechten Taste ("Wahl Phase ') zu lenken. Wenn es das korrekte Ziel wählt, den Zugang zu belohnen (Korn) ist für 2 Sek. gewährt. So der Kern der Aufgabe besteht darin, die Reaktion auf die linke Taste nach Wahl Präsentation einer bestimmten Reiz auf die Mitteltaste, und nach Vorlage eines weiteren Stimulus reagiert, um die richtige Auswahl-Taste. Der Grund, dass die Probenphase wird durch eine Initialisierung und Bestätigung Phase eingeklammert ist, um den Kopf der Tiere vor der Mitteltaste halten, während die Probe Reiz dargeboten wird.
Sobald das Tier meistert diese Aufgabe für ein einziges Paar von Reizen (im Weiteren, "vertraut" Reize, FS), wird es mit einem neuartigen Reiz (NS)-Paar in jeder neuen Sitzung vorgestellt, und hat zu erfahren, welche der beiden neuartigen Reize durch eine Reaktion auf der linken Seite oder der rechten Taste Wahl folgen. Der FS-Paar weiterhin während th vorgestelltose Experimente als geeignete Steuer Zustand dienen. Ausreichend Leistung auf der letzten Aufgabe hängt entscheidend von der Bereitschaft der Tiere auf> 1000 Studien auf Gesamtverstärkung Wahrscheinlichkeiten <0.5 durchzuführen. Die folgenden Abschnitte beschreiben ein Trainingsverfahren, in dem Aufgabenkomplexität wird allmählich erhöht, bis das Tier das Niveau des SIFC erreicht; zur gleichen Zeit, Verstärkung Wahrscheinlichkeit und die Anzahl der Versuche pro Sitzung müssen erhöht werden, um gleichbleibend hohen Leistung bei der letzten Aufgabe, sicherzustellen.
1. Animal Training
- Essen Beschränkung
- Wiegen Sie die Tiere, die nach mindestens zwei Wochen auf freien Zugang zur Nahrung. Nehmen Sie das Gewicht als freie Ernährung Gewicht. Beschränken Nahrungsmittelzugang in den nächsten 1-2 Wochen, bis Tiere erreichen 85% ihrer Frei Fütterung Gewicht.
- Es ist wichtig, dass Tauben ein gesundes Aussehen und normaler Aktivität während der Dauer des gesamten Experiments. Zudass Ende, sorgfältig Aussehen der Tiere und das Gewicht über die gesamte Dauer der Verhaltenstraining und Prüfung zu überwachen. Wiegen Tiere vor und nach jeder experimentellen Sitzung tägliche Nahrungsaufnahme zu beurteilen. Liefern zusätzliche Nahrung, wenn nötig, weitere Gewichtsverlust zu verhindern. Uneingeschränkten Zugang zu Nahrung über das Wochenende.
- Autoshaping
Autoshaping dient, um das Tier auf die Versuchskammer zu gewöhnen und zu etablieren konditionierten reagiert.- Schenken Sie den 5-Sekunden-visuellen Stimulus (im Weiteren, Initialisierung Reiz, IS) auf die Mitteltaste. Unmittelbar nach Beendigung des IS oder einem einzigen Kuss auf die Antwort-Taste (was zuerst eintritt), schalten Sie die Tastenbeleuchtung und Gegenwart Futterbelohnung (2 Sek. Aktivierung der Futterraufe).
- Halten Sie das ITI deutlich länger als die Probe Präsentationszeit zur Erleichterung des Lernens 24. Verwenden Sie Werte von 120 sec für ITI und führen Sie 40 Versuche pro Tag. Später Wiederverwendung der ISwie die Initialisierung, Konfirmation, und die Wahl Schlüsselreiz in der letzten Aufgabe (siehe Abbildung 2). Diese Phase der Ausbildung werden die Tiere etwa eine Woche dauern.
- Sobald das Tier sicher reagiert (in> 85% der Versuche), verringern Sie die ITI stufenweise bis auf 10 sec und der Probenpräsentationszeit auf 2 Sekunden. Zur gleichen Zeit, erhöhen Sie die Anzahl der Antworten für die Verstärkung bis 3 (feste Verhältnis von 3, FR 3) erforderlich. Zusätzlich erhöhen die Gesamtzahl der Versuche pro Tag. Wählen Parameter, so daß das Tier täglich für etwa 1 Stunde ausgebildet. Diese Phase der Ausbildung wird ca. 2 Wochen dauern.
- Wiederholen Sie die Schritte 1.2.1 - 1.2.3 für den linken und rechten Tasten, bis Reaktion Themen zuverlässig an der IS auf allen 3 Tasten reagieren. Alternative Versuche mit der Aktivierung der linken, rechten und mittleren Schlüssel zufällig.
- Jetzt präsentieren die erste IS in der Mitte und dann, bedingt eine Antwort, auf jeder Seite-Taste (weglassen Verstärkung für dieCenter Key-Antwort). Alternate Seite aktiviert Schlüssel zufällig von Versuch zu Versuch. Beenden Studien, in denen das Thema nicht auf die mittlere Taste nach 5 Sekunden zu reagieren. Wiederholen, bis das Tier führt zuverlässig (~ 3 Tage).
- Einführung 2 neue Reize, die später als FS in der letzten Aufgabe dienen wird (siehe Abbildung 2, Einschub für Beispiele). Wiederholen Sie die Schritte 1.2.1 - 1.2.3 mit diesen Reizen. Als Reaktion wird schneller als mit dem ersten Reiz geschaffen werden, in der Regel innerhalb von 4 Tagen.
Abbildung 2. Illustration der Verhaltens Paradigma. Nach einem ITI von 5 sec, ist die Mitteltaste durchleuchtet grün für bis zu 5 sec (Initialisierung). Wenn das Tier reagiert 3x innerhalb dieser 5 Sekunden, 1 aus dem 4; Probe Stimuli an der gleichen Position dargestellt. Nach einer festen Probenpräsentationszeit von 2 Sekunden, während der das Tier muss mindestens einmal zu reagieren, ist die zentrale Schlüsselhack grün durchleuchtet wieder (Bestätigung). Nach einer weiteren picken, sind die zwei seitlichen Tasten durchleuchtet grün. Das Thema zeigt seine Wahl, indem Sie einmal auf eine der Seitentasten reagiert. Während der Erfassung und Rückgewinnung, sind richtige Antworten, um 2 Sek. Nahrungsmittelzugang begleitet durch die Aktivierung des Feeder-Licht oder Aktivierung des Feeder-Licht allein gefolgt. Wenn falsch, sind Haus-Leuchten für 3 s eingeschaltet. Während Aussterben beide richtigen und falschen Antworten zum Aussterben Stimulus bleiben belanglos. Inset zeigt beispielsweise neue und bekannte Stimulus-Paare.
- Ausbildung von einem Einzel Intervall Zwangs Choice (SIFC) Aufgabe für Vertraute Stimuli
- Stellen Sie die vollständige Sequenz der Initialisierung, Probe, Konfirmation, und die Wahl: auf jeden Versuch, Gegenwart first die IS (FR 3), dann ist entweder der beiden FS (2 Sek. feste Dauer), dann wieder die IS (FR 1). Verwenden Sie eine aufgefordert Design-Wahl: in jedem Versuch durchleuchten nur die Wahl, die richtige Taste für den FS ist. Diese Phase der Ausbildung sollte ca. 1 Woche dauern.
- Sobald das Thema führt zuverlässig (> 85% Reaktionen auf die jeweiligen Seitentaste) einführen kostenlos-Choice-Tests (beide Seitentasten während der Wahl-Phase durchleuchtet). Wenn das Tier reagiert auf die richtige Seite, bieten Nahrung Zugang für 2 sek. Falsche Antworten werden durch Time-out Strafe (Saallicht aus 2 Sek.), gefolgt. Wenn keine Antwort innerhalb von 3 sec angegeben, kündigen Versuch und Re-Start ITI. Tiere lernen in der Regel diese Teilkomponenten der Aufgabe, innerhalb von 2 Wochen.
- Den Anteil der freien Wahl Studien während der folgenden Sitzungen schrittweise erhöhen, von 20% bis 100%.
- Wenn das Thema führt> 90% richtig in freier Wahl-Studien zu verringern Belohnung Wahrscheinlichkeit für richtige Antworten auf 0,5während parallel dazu die Anzahl der Versuche pro Sitzung bis 1000. Parameter ändern Sie nicht jeden Tag / session aber wählen sie flexibel je nach Leistungsniveau des Themas über die Initialisierung Auslassungen und Prozentsatz der richtigen Antworten. Diese Phase der Ausbildung wird ca. 4 Wochen dauern.
- Tauben sind in der Regel verweigern die Reaktion auf ungewohnte Reize. Daher wird, sobald das Tier zuverlässig führt> 1.000 Studien, Autoform Antworten auf eine große Menge von visuellen Reizen (siehe Abschnitt 1.2). Jedoch nicht preexpose nicht die visuellen Stimuli für eine spätere Verwendung als neuartige Stimuli in der endgültigen Paradigma aber einheitliche Farbanzeigen bestimmt.
- Finale Einzel-Intervall Forced-Choice-Aufgabe mit neuartigen Stimuli unter verschiedenen Bedingungen Verstärkung
- Warm-up
Lassen Sie das Thema anhand von 50 Studien mit nur den FS. Stellen Belohnung Wahrscheinlichkeit für diese Reize auf <1 (etwa 0,5-0,8) in allen Phasen, um vorzeitige Sättigung und zu verhindern,daher fehlende Motivation zu reagieren. - Akquisitionsphase
Zufällig alternative Studien mit Präsentation der FS und NS. Weisen Sie andere Antwort als richtig Schlüssel für die beiden NS und verstärken jede richtige Antwort. Berechnen Prozentsatz der richtigen Antworten als Lauf Durchschnitt der letzten 120 Studien. Die Erfassung wird als abgeschlossen betrachtet, wenn die Leistung für jeden der NS 85% übersteigt, jedoch nicht vor mindestens 150 Versuche ausgeführt worden sind. - Extinction Bühnen
Stoppen Verstärkungs richtige und falsche Antworten zu bestrafen, um eine Zufalls NS (Aussterben Reiz). Beginnen reacquisition Phase, wenn die richtige Antwort auf die vom Aussterben Reiz unter 60%, und das Tier mindestens 150 Studien in dieser Phase insgesamt erlebt. - Reacquisition Bühne
Auch hier verstärken richtige und falsche Antworten zu bestrafen, um das Aussterben Stimulus, wie während der Akquisitionsphase. Beenden Sie die Sitzung, wenn die Leistung für diesen Stimulus 85% und die Anima überschreitetls durchgeführt, mindestens 150 Studien in dieser Phase insgesamt.
- Warm-up
2. Elektrophysiologie
- Elektrodenimplantations
Implantation Chirurgie nach Tieren findet immer wieder (3-4x) beendeten die gesamte akquisitions Aussterben-Rückkauf-Sequenz und wird an anderer Stelle 25 beschrieben.- Zeigen 5-6 Edelstahl microsrews auf den Schädel für die Verankerung einer Zahnzement Kopfhalterung inklusive Microdrive.
- Führen Sie eine Kraniotomie knapp über der Hirnregion von Interesse; dann sorgfältig sezieren die Dura und Senken der Elektroden in die gewünschte Position.
- Bevor die Verankerung der Microdrive auf den Kopf zu montieren, Vaseline um die Führungskanüle; dies wird von Zahnzement umschließt das Führungsrohr zu verhindern.
- Verwenden Sie einen isolierten Silberkugelelektrode unter dem Totenkopf über dem Kleinhirn als Boden gelegt.
- Geben Tiere mit Schmerzmittel (Carprofen, 10 mg / kg, nach der Operation injiziert zweimal täglich) für drei Tage. Damit die Tiere für mindestens 2 Wochen zu erholen.
- Während Aufnahmen Tiere Führen Sie den Task-
- Verwenden Sie ein neues Paar neue Reize für jede Sitzung und Voraus-Elektroden mindestens 125 um (eine halbe Umdrehung der Antriebsschraube) vor dem Start. Wenn keine Aktionspotentiale von ausreichender Signal-zu-Rausch-Verhältnis beobachtet werden, die Sitzung abzubrechen, legen Sie das Tier im Käfig und versuchen Sie es erneut am nächsten Tag.
- Ordnen Sie die headsKabel so, dass es nicht mit normalen Hack des Tieres und Fressverhalten stören. Dies kann durch das Anbringen der Kabel mit mehreren elastischen Bändern an der Spitze der Klimakammer und Gewöhnung der Vögel auf die beiliegende Kabel für einige Stunden erreicht werden.
- Wenn vorhanden, nutzen eine Kollektor, um zusätzliche Bewegungsfreiheit für die Vögel bieten.
- Offline-Analysen Signal
- Band-pass-Filter alle Kanäle von 500 bis 5000 Hz mit steilen Roll-offs offline mit Spike2. Auszug Spikes mit Amplitudenschwellen und sortieren sie manuell Einsatz der Hauptkomponentenanalyse.
- Untersuchen Sie den Sortierergebnissen mit speziell geschriebenen MATLAB-Code (verfügbar unter MATLAB Central File Exchange, Datei-ID # 37339). Eine gut isolierte Einheit (Abbildung 3) sollten alle der folgenden Kriterien erfüllen: a) eine klar getrennte Cluster in Hauptkomponentenraum, b) kein Zeichen von mehreren Einheiten, wenn alle aufgezeichneten Wellenformen werden überlagert und dargestellt als Heatmap (3A ), c) symmetrisch verteilt Spitzenwellenformamplituden (3B), d) eine stabile Aufzeichnung während der Sitzung, wie durch unveränderliche Spitze-Amplitude (Fig. 3C), e) belegt keine oder nur sehr wenige Spitzenereignisse, die während der Refraktärperiode des vorhergehenden Spitzen auftreten (Fig. 3D), und ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) von mindestens 2 (SNR ist hier dals die Differenz zwischen dem Minimum und Maximum der gemittelten Spitzen-Wellenform, geteilt durch die Breite des getrimmten Rauschband (2,5-ten und 97,5 Perzentil der Verteilung der Werte aus dem ersten Behälter aller Wellenformen)) efined. SNR des in Fig. 3 gezeigten Einheit ist 3,9.
- Überprüfen Roh offline Kanäle für bewegungsbezogene Artefakte. Entsorgen Kanäle, wenn angegeben.
- Elektrische Artefakte während der Schlüssel-Hack auftreten, können in seltenen Fällen mit der richtigen Spike-Wellenformen verwechselt werden. Test für die Kontamination der Aufnahmen durch die Untersuchung der Zeit-Histogramm der Spitze zählt relativ zueinander registrierte Taste picken (peri-picken Zeit-Histogramm, PPTH, 3E). Picken-induzierte Artefakte zeigen sich als ein Höhepunkt in der Nähe Histogramm (± 50 ms) bis zum Zeitpunkt 0. Als zusätzliche Kontrolle, zeichnen die Wellenformen aller vermeintlichen Spitzen Ereignisse innerhalb von ± 20 ms einer Taste picken separat registriert und vergleichen Sie es mit Spike Wellenformen erkannt outside Fenster (3F).
Abbildung 3. Qualitätsmetriken für Einheit Isolation. A) Wärme Karte aller Wellenformen "Zeit-Spannungs-Werte. B) Ausschüttungen von maximal (rot), Minimum (grün) und Lärm (blau) Spannungswerte aller Wellenformen. Die Verteilungen sind gut voneinander getrennt, was eine ausgezeichnete Einheit Isolation. C) Spontane Feuerrate (rot, 2-sec-Segmente in allen intertrial Abständen berechnet) und Spike-Amplituden (peak-to-peak) als Funktion der Zeit, in der Sitzung. D) Interspike-Intervall-Verteilung für dieses Gerät.: Beide Kurven wurden mit einem Boxcar-Funktion (50 Datenpunkte Breite) geglättet. Bin-Breite, 10 msec (Einschub: 1 ms). Sehr kurze Intervalle sind fast nicht vorhanden (<0,1% der Intervalle unter 4 ms). <strong> E) PSTH ausgelöst Schlüssel pickt. Veranstaltung zählt neben der Taste picken (± 20 ms) sind rot markiert. F) Alle 157 Wellenformen innerhalb von ± 20 ms von Schlüssel picken Ereignisse aufgezeichnet. Die Wellenformen vergleichen günstig, um die Gesamtwellenform in Panel A gezeigt
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Representative Results
Verhalten
Figur 4A zeigt die Verhaltensleistung eines Tieres in einem Beispiel Sitzung. Das Leistungsniveau des Tieres Kriterium für NS 2 erreicht innerhalb von 180 Studien (45 Stimuli) und ist von Anfang an in der Nähe von 100% für die NS 1. Diese Strategie - erste Reaktion auf derselben Taste für neue Stimuli und Antworten für eine Anpassung der Stimuli - ist um so oft wie anfängliche Zufalls reagiert auf beide NS beobachtet. In dieser Sitzung, die NS-2 wurde nach dem Zufallsprinzip ausgewählt, um vom Aussterben zu unterziehen, was bedeutet, dass alle Entscheidungen, die diesem Stimulus bleiben belanglos (Übergang zwischen Lernstufen werden durch senkrechte schwarze gestrichelte Linien). Während Aussterben, nimmt die Leistung für das Aussterben Reiz, bleibt aber hoch für die anderen NS. Kriterium in 370-Studie erreicht ist. Richtige und falsche Antworten werden jetzt verstärkt wieder bestraft (Rückkauf) und Leistungsniveau Kriterium erreicht. Studie 402 Leistungsstufe für FS konstant hoch ist (> 95%; Daten nicht gezeigt). b) Die mittlere Anzahl der Versuche benötigt, um jede Stufe des Lernens zu vervollständigen (gemittelt über 5 Tiere und 44 Sitzungen insgesamt). Im Durchschnitt Tiere benötigt ~ 700 Studien konsequent reagieren richtig reagieren. Extinction nahm ~ 900 Versuche und Rückkauf nur etwa 60 Studien, wesentlich kleiner als die ursprünglichen Anschaffungs (4B).
Abbildung 4. Beispiel Verhaltens Ergebnisse. A) Leistung Ein Vogel für die 2 neue Impulse in allen drei Phasen des Lernens. Die Kurven zeigen die richtigen Entscheidungen Prozent (Mittelwert über die letzten 120 Studien, entsprechend 30 Präsentationen der jeweiligen Stimulus) in Abhängigkeit von der Gesamtzahl der Studien, getrennt für Roman stimuluns 1, Roman Stimulus 2, und gemittelt über beide Reize. Leistung für vertraute Reize war durchweg über 95% richtig (Daten nicht gezeigt) B) Mittlere Anzahl der Versuche benötigt, um Kriterium Leistung in jeder der drei Phasen des Lernens zu erreichen. Fehlerbalken, SEM.
Neuronale Daten
Figur 5 zeigt das Reaktionsmuster der beiden Einheiten in der nidopallium caudolaterale (NCL) aufgezeichnet werden, während ein Tier SIFC Durchführung der Aufgabe. Antwortmodulation während der Präsentation des NS ist in 5A gezeigt. In der Akquisitionsphase reagiert der Einheiten stark NS 2 (zum Löschen bezeichnet), mit sinkender Reaktionen gegen Ende der Erfassungsphase und wenig Veränderung in Brenn während die zwei anderen Phasen des Lernens. Es gibt wenig Reaktion auf NS 1 über die gesamte Sitzung. Die Antwort Zunahme um 4.3 Sekunden nach Beginn des Stimulus Probe ist wegen Liefer belohnen. Aktivitätsniveausüber bekannte Reize nicht moduliert (Daten nicht gezeigt).
5B zeigt die Reaktionsmuster der anderen NCL-Einheit während SIFC aufgezeichnet. Das Neuron reagiert während rechts, aber nicht nach links Bewegungen (oben links), die auf eine sensomotorische Codierung. Jedoch änderte Antwortstärke in den Phasen des Lernens: Die beiden untersten Tafeln zeigen Spike Dichtefunktionen (SDF) ausgelöst, um nach rechts Entscheidungen für eine bekannte (links) und einen Roman Stimulus (rechts), aufgeteilt in aufeinanderfolgenden Quartile, um die Entwicklung zu veranschaulichen über die experimentelle Sitzung. Antworten niedriger waren für die bekannte Stimulus während der gesamten Sitzung, obwohl durchschnittlichen Fahrzeiten für die beiden Reizbedingungen waren sehr ähnlich (oben rechts). Außerdem Reaktionen während rechts Auswahl nach Vorlage der neuartigen, aber nicht dem bekannten Stimulus innerhalb des experimentellen Sitzung (nicht durch eine Verringerung der Ausgangs Tanne parallel verringerteing Rate). Somit verringert sowohl Neuronen als eine bestimmte neuartige Stimulus zunehmend vertraut mit dem Neuron in Fig. 5B für einen bestimmten Bewegungscodierungs neben der Neuheit der Reiz vor dieser Bewegung.
Abbildung 5. Reaktionsmuster von zwei Beispiel-Einheiten während des SFIC Aufgabe aufgezeichnet. A) Spike Dichtefunktionen ausgelöst zu Beginn der 2. Roman Reize NS 1 und NS 2 (obere und untere Reihe, beziehungsweise), aufgeteilt für drei Lernphasen (Spalten ), mit Antworten in jeder Lernphase wieder aufgeteilt in drei gleiche Teile (früh, mittel, spät). NS-2 wurde für Aussterben bezeichnet. PSTHs (bin Breite 1 ms) wurden mit einer exponentiell modifizierten Gauß-Kern (σ = 100 ms und τ = 100 ms). B geglättet)
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Discussion
Dieses Protokoll beschreibt eine komplexe Verhaltens Aufgabe geeignet für die gleichzeitige Single-Unit-Aufnahmen. Wir haben die Aufgabe, für Tauben SIFC beschrieben, aber es kann leicht zu Nagetieren durch die Forderung Nase Pokes oder Hebel drücken, anstatt Taste pickt, visuelle und Ersetzen von Geruchs-, Gehör-, oder taktile Reize angepasst werden.
Vielleicht sind die wichtigsten Schritte während der Trainingsverfahren sind 1) schrittweise Verringerung der Wahrscheinlichkeit und Belohnung 2) Anstieg der Probenummer. Bezüglich intermittierende Verstärkung für die bekannten Reize, entschieden wir uns für Belohnung Wahrscheinlichkeiten reichen von 0,5 bis 0,8; diese sind hoch genug, um eine stabile Leistung produzieren, aber niedrig genug, um eine vorzeitige Sättigung zu verhindern. Das heißt, sind viele Vögel bereit, auch für die Belohnung Wahrscheinlichkeiten bis zu 0,2 durchzuführen.
Notwendig Die große Anzahl der Versuche pro Sitzung (500-1500) ist, weil der Erwerb, das Aussterben und Wiedererlangung der konditionierten Reaktion simply erfordert so viele Studien, und weil die genaue Abschätzung der Feuerraten ist schwierig mit weniger als, sagen wir, 25 Studien, vor allem bei der Aufnahme von Neuronen mit niedrigen Brennraten (in der NCL, sind grundlegende Feuerraten <1 Hz). Dementsprechend setzen wir die minimale Anzahl der erforderlichen Versuche für den Abschluss einer Lernphase, so dass jeder Reiz wird mindestens 35-mal gezeigt.
Für eine naive Tier, Training auf der SIFC Aufgabe dauert ca. 4 Monate, aber die genaue Dauer hängt stark von der individuellen. Aufgrund der hohen Anforderungen der Aufgabe, ist es sehr wahrscheinlich, dass nicht alle Tiere werden am Ende eine gute Leistung auf der letzten Paradigma. Wenn ein einzelner Vogel überspringt zu viele Studien oder erzeugt hohe Fehlerquoten während der Ausbildung, zögern Sie nicht, dieses Thema zu ersetzen. Nach unserer Erfahrung ist es sehr wahrscheinlich, dass dieses Tier wird nie richtig auf die endgültige Aufgabe.
Die meisten früheren Studien Durchführung Single-Unit-Aufnahmen infrei bewegenden Tauben nicht zu Motorleistung ordnungsgemäß zu registrieren während der Aufnahme. Dies erschwert die Interpretation der neuronalen Antworten in kritischen Zeiten der Studien, wie Probenpräsentation oder Verzögerungsphasen 25. Dieses Problem ist inhärent in Go / No-Go-Aufgaben, bei denen der Experimentator in der Regel nicht weiß, was das Thema ist auf die No-Go-Studien zu tun; die gleiche Einschränkung gilt für die Arbeitsgedächtnisaufgaben, der eine längere Verzögerungszeit. Um die Kontrolle über die Bewegung der Tiere ohne Verwendung von Kopf-Fixierung zu erreichen, haben wir eine Aufgabe, in der Tiere haben, um die gleiche Wirkung (Taste picken), obwohl Bedingungen (Probe Reize) Wechsel durchführen. In unserem SIFC Paradigma ist sowohl visuelle Eingabe sowie Motorausgangs gut kontrollierte und laufend überwacht. Da die Tiere zu picken bei jeder Probe Stimulus während seiner Präsentation erforderlich ist, halten wir Motorleistung konstant, während Tiere betrachten Stimuli mit verschiedenen Lerngeschichten. Wir prüfen derzeit methods noch bessere Kontrolle der Motorleistung, wie das Anbringen eines Beschleunigungsmessers an der heads für die kontinuierliche Registrierung der Kopfbewegungen zu erreichen. Auch werden wir die Entwicklung von Methoden zur Messung der Kraft der einzelnen Tasten picken mittels einer mechanoelektrischen Wandler.
Unser Paradigma ermöglicht entwirren die Beiträge der sensorischen, motorischen und kognitiven Variablen, um neuronale Feuerraten durch die Identifizierung typischer neuronalen Antwortmustern. Zum Beispiel würde ein prämotorischen Neuron für Links Antworten erwartet, Brennen während der Probenphase zu erhöhen, wenn das Tier wird eine nach links gerichtete Reaktion zu machen, unabhängig von Konjunktur Identität werden. Ebenso würde einfach Motoneuronen voraussichtlich im Schlüsselhack oder links oder rechts Bewegung ausgelöst werden. Ein Neuron repräsentiert Belohnung Erwartung, auf der anderen Seite würde bei der Probenphase für die FS als die während der frühen NS Erwerb (Feuer, und um so mehr, weil subjektive Belohnung Wahrscheinlichkeit auf FS höher als NS trrialien vor NS gelernt werden), aber das sollte später umkehren, wenn die NS konsequent korrekt klassifiziert (weil Ziel Belohnung Wahrscheinlichkeit ist höher auf korrekte NS Studien). Schließlich Neuronen, die auf spezifische Eigenschaften Stimulus erwartet konsequent für einen der Reize ausgelöst Probe ohne irgendeine Änderung in Stufen des Lernens.
Da extrazelluläre Aufnahme Einheit ist anfällig für Rekordspitzen von mehreren Geräten in einer Zeit 11,26, Inspektion eine Reihe von Qualitätsmetriken ist wichtig, richtig zu klassifizieren Spikes als von einem einzelnen oder von mehreren Neuronen 27. Mit Tetroden anstelle von Einzelelektroden ergeben würde sicherlich eine zusätzliche Erhöhung der Sortierqualität 11. Dies sollte bei Aufnahmen in Hirnregionen mit einer hohen Zelldichte (zum Beispiel Hippocampus) oder sehr hohe Spontanaktivität (wie die entopallium) werden bestimmt. Jedoch sind die Microplugs wir nur bis zu 1 verfügbar8. Verbindungen, die jetzt stellen eine obere Grenze für die Gesamtzahl der Aufzeichnungskanäle.
In der Summe eine Aufgabe von hoher Komplexität entwickelt, die wir für Nicht-Primaten-Versuchstieren. Diese Aufgabe wurde angepasst, um die Untersuchung von Lern Phänomene mit Single-Neuron-Aufnahmen zu ermöglichen, aber gleichzeitig ist geeignet, um Themen wie Kategorisierung, Entscheidungsfindung und Belohnung Codierung anzugehen.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde durch Fördermittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) an MCS (FOR 1581 STU 544/1-1) und OG (FOR 1581, SFB 874) unterstützt. Die Website der DFG ist http://www.dfg.de/en/index.jsp. Die Geldgeber hatten keine Rolle in Studiendesign, Datenerfassung und Analyse, Entscheidung zur Veröffentlichung oder Vorbereitung der manuscript.The Autoren danken Thomas Seidenbecher für uns mit dem Gold-Plating-Protokoll sowie Tobias Otto für die Hilfe bei der Einrichtung des elektrophysiologischen Aufnahmegeräte.
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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