소뇌 의존적 감각 연관 학습을 모니터링하기 위한 유연한 플랫폼
Summary
우리는 두 가지 등반 섬유 의존적 연관 학습 작업 중에 동물의 행동을 추적하는 단일 플랫폼을 개발했습니다. 저비용 설계는 섬유 관련 소뇌 활동을 등반하기위한 광유전학 또는 이미징 실험과 통합 할 수 있습니다.
Abstract
Purkinje 세포에 대한 등반 섬유 입력은 소뇌 의존적 연관 학습에 중요한 유익한 신호를 제공합니다. 머리가 고정된 마우스에서 이러한 신호를 연구하면 이미징, 전기 생리학 및 광유전학 방법의 사용이 용이합니다. 여기에서는 저비용 행동 플랫폼 (~ $ 1000)이 개발되어 달리기 바퀴에서 자유롭게 로코모티를 만드는 머리 고정 마우스에서 연관 학습을 추적 할 수 있습니다. 이 플랫폼은 두 가지 일반적인 연관 학습 패러다임, 즉 아이블링크 컨디셔닝과 지연된 촉각 깜짝 컨디셔닝을 통합합니다. 동작은 카메라를 사용하여 추적되고 감지기에 의한 휠 이동이 추적됩니다. 우리는 구성 요소와 설정을 설명하고 교육 및 데이터 분석을위한 자세한 프로토콜을 제공합니다. 이 플랫폼은 광유전학적 자극 및 형광 영상화의 혼입을 허용한다. 이 설계를 통해 단일 호스트 컴퓨터가 여러 동물을 동시에 훈련시키기 위해 여러 플랫폼을 제어 할 수 있습니다.
Introduction
조건화 된 반응을 이끌어 내기 위해 자극 사이의 초 미만의 연관성의 파블로프 컨디셔닝은 소뇌 의존성 학습을 조사하기 위해 오랫동안 사용되어 왔습니다. 예를 들어, 고전적 지연 눈 깜박임 조절 (DEC)에서, 동물들은 중립적 인 조건부 자극 (CS; 예를 들어, 빛 또는 청각 톤의 플래시)에 반응하여 잘 정해진 보호 깜박임을 만드는 법을 배웁니다.이 자극은 무조건적인 자극 (미국; 예를 들어, 각막에 적용되는 공기의 퍼프)과 반복적으로 짝을 이룰 때 항상 반사 깜박임을 유발하며, 그리고 CS의 끝 또는 그 근처에 온다. 학습된 응답을 조건화 응답(CR)이라고 하고, 반사 응답을 무조건 응답(UR)이라고 합니다. 토끼에서 소뇌 특정 병 변은 이러한 형태의 학습 1,2,3,4을 방해합니다. 또한, 퍼킨제 세포 복합체 스파이크는 등반 섬유 입력(5)에 의해 구동되며, 적절한 타이밍의 CR을 획득하기 위해 필요한 6,7 및 충분한 8,9 신호를 제공한다.
보다 최근에, 등반 섬유 의존적 연관 학습 패러다임이 머리 고정 마우스를 위해 개발되었다. DEC는 이 구성10,11에 적응된 최초의 연관 학습 패러다임이었습니다. 머리-고정 마우스에서의 DEC는 소뇌 영역 11,12,13,14,15,16,17 및 회로 소자 11,1 2,13,14,15,18,19를 식별하는데 사용되어 왔다. 그것은 작업 획득 및 멸종에 필요합니다. 이 접근법은 또한 과제 파라미터의 세포 수준 생리학적 표현이 학습13,15,16과 함께 어떻게 진화하는지를 입증하는데 사용되었다.
눈깜짝할 사이에 지연된 깜짝 촉각 컨디셔닝(DTSC) 패러다임은 최근 머리 고정 마우스(20)에 대한 신규한 연관 학습 과제로서 개발되었다. 개념적으로 DEC와 유사하게, DTSC는 중립 CS를 미국으로 제시하는 것을 포함하며, UR로서 깜짝 놀랄만한 반사(21,22)를 참여시키기에 충분한 강도로 얼굴에 탭한다. DTSC 패러다임에서 UR과 CR은 모두 바퀴에서 후진 운동으로 판독됩니다. DTSC는 이제 연관 학습이 소뇌 활성과 유전자 발현20의 패턴을 어떻게 변화시키는지를 밝히기 위해 사용되어 왔다.
이 작업에서는 DEC 또는 DTSC를 단일 플랫폼에 유연하게 적용하기 위한 방법이 개발되었습니다. 자극 및 플랫폼 속성은 그림 1에 개략적으로 설명되어 있습니다. 이 설계에는 카메라로 동물의 행동을 추적할 수 있는 기능과 바퀴 위의 마우스 움직임을 추적하는 회전식 엔코더가 통합되어 있습니다. 데이터 로깅 및 시험 구조의 모든 측면은 쌍을 이루는 마이크로 컨트롤러 (Arduino)와 단일 보드 컴퓨터 (SBC; 라즈베리 파이). 이러한 장치는 제공된 그래픽 사용자 인터페이스를 통해 액세스할 수 있습니다. 여기에서는 설정, 실험 준비 및 실행을 위한 워크플로와 데이터 시각화를 위한 사용자 지정 분석 파이프라인을 제시합니다.
Protocol
여기에 설명 된 동물 프로토콜은 프린스턴 대학의 동물 관리 및 사용위원회의 승인을 받았습니다. 1. SBC 설정 카메라 직렬 인터페이스(CSI) 케이블을 라즈베리 NoIR V2 카메라 및 SBC의 카메라 포트에 연결합니다. SBC의 운영 체제를 호스트 컴퓨터에 다운로드합니다. 운영 체제 이미지를 마이크로 보안 디지털(microSD) 카드에 씁니다.참고: 라즈베리 파?…
Representative Results
DEC 실험 및 분석을 위한 워크플로우적절한 실험 파라미터 선택은 성공적인 지연 아이블링크 컨디셔닝(DEC) 훈련에 중요하다. 여기에 제시된 데이터의 경우, GUI를 사용하여 350ms의 CS 지속 시간 및 50ms의 미국 지속 시간을 선택했습니다. 이러한 짝짓기는 300ms의 인터-자극 간격을 초래한다: 낮은 진폭 CR 생산(10 )을 방지하기에 충분히 길고, 열악한 학습 또는 추적 컨디…
Discussion
여기에 설명 된 관련 프로토콜이있는 플랫폼은 두 가지 감각 연관 학습 작업에서 동물의 행동을 안정적으로 추적하는 데 사용할 수 있습니다. 각 작업은 등반 섬유 경로를 통한 온전한 의사 소통에 달려 있습니다. 여기에 설명 된 디자인에서 우리는 소뇌 반응의 학습 및 기록 / 교란을 용이하게하는 요소를 통합합니다. 여기에는 자유로운 운동11,18뿐만 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작업은 국립 정신 건강 연구소 NRSA F32 MH120887-03 (G.J.B.) 및 R01 NS045193 및 R01 MH115750 (S.S-H.W.)의 보조금으로 지원됩니다. DEC 설정 최적화를 위한 유용한 토론을 해주신 Bas Koekkoek 박사와 Henk-Jan Boele 박사님과 DTSC 설정 최적화를 위한 유용한 토론을 위해 Yue Wang과 Xiaoying Chen 박사님께 감사드립니다.
Materials
| "B" Quick Base For C&B METABOND – 10 mL bottle | Parkell | S398 | Dental cement solvent |
| "C" Universal TBB Catalyst – 0.7 mL | Parkell | S371 | Catalyst |
| #8 Washers | Thorlabs | W8S038 | Washers |
| 0.250" (1/4") x 8.00" Stainless Steel Precision Shafting | Servocity | 634172 | 1/4" shaft |
| 0.250” (0.770") Clamping Hub | Servocity | 545588 | Clamping hub |
| 1/4" to 6 mm Set Screw Shaft Coupler- 5 pack | Actobotics | 625106 | Shaft-coupling sleeve |
| 1/4"-20 Cap Screws, 3/4" Long | Thorlabs | SH25S075 | 1/4" bolt |
| 100 pcs 5 mm 395–400 nm UV Ultraviolet LED Light Emitting Diode Clear Round Lens 29 mm Long Lead (DC 3V) LEDs Lights +100 pcs Resistors | EDGELEC | ED_YT05_U_100Pcs | CS LEDs |
| 2 m Micro HDMI to DVI-D Cable – M/M – 2 m Micro HDMI to DVI Cable – 19 pin HDMI (D) Male to DVI-D Male – 1920 x 1200 Video | Star-tech | HDDDVIMM2M | Raspberry Pi4B to monitor cable |
| 256 GB Ultra Fit USB 3.1 Flash Drive | SanDisk | SDCZ430-256G-G46 | USB thumb drive |
| 3.3 V–5 V 4 Channels Logic Level Converter Bi-Directional Shifter Module | Amazon | B00ZC6B8VM | Logic level shifter |
| 32 GB 95 MB/s (U1) microSDHC EVO Select Memory Card | Samsung | MB-ME32GA/AM | microSD card |
| 4.50" Aluminum Channel | Servocity | 585444 | 4.5" aluminum channel |
| 48-LED CCTV Ir Infrared Night Vision Illuminator | Towallmark | SODIAL | Infrared light array |
| 4PCS Breadboards Kit Include 2PCS 830 Point 2PCS 400 Point Solderless Breadboards for Proto Shield Distribution Connecting Blocks | REXQualis | B07DL13RZH | Breadboard |
| 5 Port Gigabit Unmanaged Ethernet Network Switch | TP-Link | TL-SG105 | Ethernet switch |
| 5 V 2.5 A Raspberry Pi 3 B+ Power Supply/Adapter | Canakit | DCAR-RSP-2A5 | Power supply for Raspberry Pi 3B+ |
| 5-0 ETHILON BLACK 1 x 18" C-3 | Ethicon | 668G | Sutures |
| 6 mm Shaft Encoder 2000 PPR Pushpull Line Driver Universal Output Line Driver Output 5-26 V dc Supply | Calt | B01EWER68I | Rotary encoder |
| Ø1/2" Optical Post, SS, 8-32 Setscrew, 1/4"-20 Tap, L = 1", 5 Pack | Thorlabs | TR1-P5 | Optical posts |
| Ø1/2" Optical Post, SS, 8-32 Setscrew, 1/4"-20 Tap, L = 2", 5 Pack | Thorlabs | TR2-P5 | Optical posts |
| Ø1/2" Optical Post, SS, 8-32 Setscrew, 1/4"-20 Tap, L = 4", 5 Pack | Thorlabs | TR4-P5 | Optical posts |
| Ø1/2" Optical Post, SS, 8-32 Setscrew, 1/4"-20 Tap, L = 6", 5 Pack | Thorlabs | TR6-P5 | Optical posts |
| Ø1/2" Post Holder, Spring-Loaded Hex-Locking Thumbscrew, L = 2" | Thorlabs | PH2 | Optical post holder |
| Adapter-062-M X LUER LOCK-F | The Lee Co. | TMRA3201950Z | Solenoid valve luer adapter |
| Aeromat Foam Roller Size: 36" Length | Aeromat | B002H3CMUE | Foam roller |
| Aluminum Breadboard 10" x 12" x 1/2", 1/4"-20 Taps | Thorlabs | MB1012 | Aluminum breadboard |
| Amazon Basics HDMI to DVI Adapter Cable, Black, 6 Feet, 1-Pack | Amazon | HL-007347 | Raspberry Pi3B+ to monitor cable |
| Arduino Uno R3 | Arduino | A000066 | Arduino Uno (microcontroller board) |
| Arduino Due | Arduino | A000062 | Arduino Due (microcontroller board) |
| Bench Power Supply, Single, Adjustable, 3 Output, 0 V, 24 V, 0 A, 2 A | Tenma | 72-8335A | Power supply |
| Clear Scratch- and UV-Resistant Cast Acrylic Sheet, 12" x 24" x 1/8" | McMaster Carr | 8560K257 | Acrylic sheet |
| CNC Stepper Motor Driver 1.0–4.2 A 20–50 V DC 1/128 Micro-Step Resolutions for Nema 17 and 23 Stepper Motor | Stepper Online | B06Y5VPSFN | Stepper motor driver |
| Compact Compressed Air Regulator, Inline Relieving, Brass Housing, 1/4 NPT | McMaster Carr | 6763K13 | Air source regulator |
| Cotton Swab | Puritan | 806-WC | Cotton swab |
| Dell 1908FP 19" Flat Panel Monitor – 1908FPC | Dell | 1908FPC | Computer monitor |
| Flex Cable for Raspberry Pi Camera | Adafruit | 2144 | camera serial interface cable |
| High Torque Nema 17 Bipolar Stepper Motor 92 oz·in/65 N·cm 2.1 A Extruder Motor | Stepper Online | 17HS24-2104S | Stepper motor |
| Isoflurane | Henry Schein | 66794001725 | Isoflurane |
| Krazy Maximum Bond Permanent Glue, 0.18 oz. | Krazy Glue | KG483 | Cyanoacrylate glue |
| Lidocaine HCl | VetOne | 510212 | Lidocaine |
| Low-Strength Steel Hex Nut, Grade 2, Zinc-Plated, 1/4"-20 Thread Size | McMaster Carr | 90473A029 | Nuts |
| M3 x 50 mm Partially Threaded Hex Key Socket Cap Head Screws 10 pcs | Uxcell | A16040100ux1380 | M3 bolt |
| NEMA 17 Stepper Motor Mount | ACTOBOTICS | 555152 | Stepper motor mount |
| Official Raspberry Pi Power Supply 5.1 V 3 A with USB C – 1.5 m long | Adafruit | 4298 | Power supply for Raspberry Pi 4B |
| Optixcare Dog & Cat Eye Lube Lubricating Gel, 0.70-oz tube | Optixcare | 142422 | Opthalimic ointment |
| Precision Stainless Steel Ball Bearing, Shielded, Trade No. R188-2Z, 13000 rpm Maximum Speed | McMaster-Carr | 3759T57 | Bearing |
| Premium Female/Female Jumper Wires – 40 x 6" | Adafruit | 266 | Wires |
| Premium Female/Male 'Extension' Jumper Wires – 40 x 6" (150 mm) | Adafruit | 826 | Wires |
| Premium Male/Male Jumper Wires – 40 x 6" | Adafruit | 758 | Wires |
| Radiopaque L-Powder for C&B METABOND – 5 g | Parkell | S396 | Dental cement powder |
| Raspberry Pi (3B+ or 4B) | Adafruit | 3775 or 4295 | Raspberry Pi |
| Raspberry Pi NoIR Camera Module V2 – 8MP 1080P30 | Raspberry Pi Foundation | RPI3-NOIR-V2 | Raspberry NoIR V2 camera |
| Right-Angle Bracket, 1/4" (M6) Counterbored Slot, 8-32 Taps | Thorlabs | AB90E | Right-angle bracket |
| Right-Angle Clamp for Ø1/2" Posts, 3/16" Hex | Thorlabs | RA90 | Right-angle optical post clamp |
| Right-Angle End Clamp for Ø1/2" Posts, 1/4"-20 Stud and 3/16" Hex | Thorlabs | RA180 | Right-angle end clamp |
| RJ45 Cat-6 Ethernet Patch Internet Cable | Amazon | CAT6-7FT-5P-BLUE | Ethernet cable |
| Rotating Clamp for Ø1/2" Posts, 360° Continuously Adjustable, 3/16" Hex | Thorlabs | SWC | Rotating optical post clamps |
| Spike & Hold Driver-0.1 TO 5 MS | The Lee Co. | IECX0501350A | Solenoid valve driver |
| Swivel Base Adapter | Thorlabs | UPHA | Post holder adapter |
| USB 2.0 A-Male to Micro B Cable, 6 feet | Amazon | 7T9MV4 | USB2 type A to USB2 micro cable |
| USB 2.0 Printer Cable – A-Male to B-Male, 6 Feet (1.8 m) | Amazon | B072L34SZS | USB2 type B to USB2 type A cable |
| VHS-M/SP-12 V | The Lee Co. | INKX0514900A | Solenoid valve |
| Zinc-Plated Steel 1/4" washer, OD 1.000" | McMaster Carr | 91090A108 | Washers |
References
- McCormick, D. A., Lavond, D. G., Clark, G. A., Kettner, R. E., Rising, C. E., Thompson, R. F. The engram found? Role of the cerebellum in classical conditioning of nictitating membrane and eyelid responses. Bulletin of the Psychonomic Society. 18 (3), 103-105 (1981).
- McCormick, D. A., Clark, G. A., Lavond, D. G., Thompson, R. F. Initial localization of the memory trace for a basic form of learning. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 79 (8), 2731-2735 (1982).
- McCormick, D. A., Thompson, R. F. Cerebellum: essential involvement in the classically conditioned eyelid response. Science. 223 (4633), 296-299 (1984).
- Krupa, D. J., Thompson, J. K., Thompson, R. F. Localization of a memory trace in the mammalian brain. Science. 260 (5110), 989-991 (1993).
- Llinás, R., Sugimori, M. Electrophysiological properties of in vitro Purkinje cell dendrites in mammalian cerebellar slices. The Journal of Physiology. 305, 197-213 (1980).
- Mintz, M., Lavond, D. G., Zhang, A. A., Yun, Y., Thompson, R. F. Unilateral inferior olive NMDA lesion leads to unilateral deficit in acquisition and retention of eyelid classical conditioning. Behavioral and Neural Biology. 61 (3), 218-224 (1994).
- Welsh, J. P., Harvey, J. A. Cerebellar lesions and the nictitating membrane reflex: performance deficits of the conditioned and unconditioned response. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 9 (1), 299-311 (1989).
- Mauk, M. D., Steinmetz, J. E., Thompson, R. F. Classical conditioning using stimulation of the inferior olive as the unconditioned stimulus. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 83 (14), 5349-5353 (1986).
- Steinmetz, J. E., Lavond, D. G., Thompson, R. F. Classical conditioning in rabbits using pontine nucleus stimulation as a conditioned stimulus and inferior olive stimulation as an unconditioned stimulus. Synapse. 3 (3), 225-233 (1989).
- Chettih, S. N., McDougle, S. D., Ruffolo, L. I., Medina, J. F. Adaptive timing of motor output in the mouse: The role of movement oscillations in eyelid conditioning. Frontiers in Integrative Neuroscience. 5, 72 (2011).
- Heiney, S. A., Wohl, M. P., Chettih, S. N., Ruffolo, L. I., Medina, J. F. Cerebellar-dependent expression of motor learning during eyeblink conditioning in head-fixed mice. The Journal of Neuroscience. 34 (45), 14845-14853 (2014).
- Heiney, S. A., Kim, J., Augustine, G. J., Medina, J. F. Precise control of movement kinematics by optogenetic inhibition of purkinje cell activity. Journal of Neuroscience. 34 (6), 2321-2330 (2014).
- Ten Brinke, M. M., et al. Evolving models of pavlovian conditioning: Cerebellar cortical dynamics in awake behaving mice. Cell Reports. 13 (9), 1977-1988 (2015).
- Gao, Z., et al. Excitatory cerebellar nucleocortical circuit provides internal amplification during associative conditioning. Neuron. 89 (3), 645-657 (2016).
- Giovannucci, A., et al. Cerebellar granule cells acquire a widespread predictive feedback signal during motor learning. Nature Neuroscience. 20 (5), 727-734 (2017).
- Ten Brinke, M. M., et al. Dynamic modulation of activity in cerebellar nuclei neurons during pavlovian eyeblink conditioning in mice. eLife. 6, 28132 (2017).
- Wang, X., Yu, S., Ren, Z., De Zeeuw, C. I., Gao, Z. A FN-MdV pathway and its role in cerebellar multimodular control of sensorimotor behavior. Nature Communications. 11 (1), 6050 (2020).
- Albergaria, C., Silva, N. T., Pritchett, D. L., Carey, M. R. Locomotor activity modulates associative learning in mouse cerebellum. Nature Neuroscience. 21 (5), 725-735 (2018).
- Kim, O. A., Ohmae, S., Medina, J. F. A cerebello-olivary signal for negative prediction error is sufficient to cause extinction of associative motor learning. Nature Neuroscience. 23 (12), 1550-1554 (2020).
- Yamada, T., et al. Sensory experience remodels genome architecture in neural circuit to drive motor learning. Nature. 569 (7758), 708-713 (2019).
- Horlington, M. Startle response circadian rhythm in rats: lack of correlation with motor activity. Physiology & Behavior. 5 (1), 49-53 (1970).
- Yeomans, J. S., Li, L., Scott, B. W., Frankland, P. W. Tactile, acoustic and vestibular systems sum to elicit the startle reflex. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 26 (1), 1-11 (2002).
- . Raspberry Pi Operating system images Available from: https://www.raspberrypi.com/software/operationg-systems/ (2021)
- . VNC Server. VNC® Connect Available from: https://www.realvnc.com/en/connect/download/vnc/ (2021)
- . Anaconda: The world’s most popular data science platform Available from: https://xddebuganaconda.xdlab.co/ (2021)
- De Zeeuw, C. I., Ten Brinke, M. M. Motor learning and the cerebellum. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 7 (9), 021683 (2015).
- Badura, A., et al. Normal cognitive and social development require posterior cerebellar activity. eLife. 7, 36401 (2018).
- Koekkoek, S. K. E., Den Ouden, W. L., Perry, G., Highstein, S. M., De Zeeuw, C. I. Monitoring kinetic and frequency-domain properties of eyelid responses in mice with magnetic distance measurement technique. Journal of Neurophysiology. 88 (4), 2124-2133 (2002).
- Kloth, A. D., et al. Cerebellar associative sensory learning defects in five mouse autism models. eLife. 4, 06085 (2015).
- Boele, H. -. J., Koekkoek, S. K. E., De Zeeuw, C. I. Cerebellar and extracerebellar involvement in mouse eyeblink conditioning: the ACDC model. Frontiers in Cellular Neuroscience. 3, (2010).
- Lin, C., Disterhoft, J., Weiss, C. Whisker-signaled eyeblink classical conditioning in head-fixed Mice. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (109), e53310 (2016).
- Pereira, T. D., et al. Fast animal pose estimation using deep neural networks. Nature Methods. 16 (1), 117-125 (2019).
- Mathis, A., et al. DeepLabCut: markerless pose estimation of user-defined body parts with deep learning. Nature Neuroscience. 21 (9), 1281-1289 (2018).
Cite This Article
Broussard, G. J., Kislin, M., Jung, C., Wang, S. S. -. A Flexible Platform for Monitoring Cerebellum-Dependent Sensory Associative Learning. J. Vis. Exp. (179), e63205, doi:10.3791/63205 (2022).