، أشار الطولي Eyeblink تكييف الكلاسيكية في الفئران ثابت رئيس
Summary
The preparation presented here for whisker-signaled eyeblink conditioning in head-fixed mice precisely stimulates specific whiskers while allowing mice to ambulate on a cylindrical treadmill. A whisker stimulation conditioned stimulus (CS) paired with a periorbital shock unconditioned stimulus (US) results in reliable associative learning on this apparatus.
Abstract
Eyeblink conditioning is a common paradigm for investigating the neural mechanisms underlying learning and memory. To better utilize the extensive repertoire of scientific techniques available to study learning and memory at the cellular level, it is ideal to have a stable cranial platform. Because mice do not readily tolerate restraint, they are usually trained while moving about freely in a chamber. Conditioned stimulus (CS) and unconditioned stimulus (US) information are delivered and eyeblink responses recorded via a tether connected to the mouse’s head. In the head-fixed apparatus presented here, mice are allowed to run as they desire while their heads are secured to facilitate experimentation. Reliable conditioning of the eyeblink response is obtained with this training apparatus, which allows for the delivery of whisker stimulation as the CS, a periorbital electrical shock as the US, and analysis of electromyographic (EMG) activity from the eyelid to detect blink responses.
Introduction
تكييف Eyeblink هو شكل من أشكال تكييف بافلوف ونظام نموذجي للتحقيق في الآليات العصبية للتعلم النقابي والذاكرة. وقد تم التحقيق فيها في مختلف الأنواع، بما في ذلك البشر، والأرانب والقطط والفئران، والفئران. ويشمل نموذج تقديم اثنين من المحفزات المقترنة: حافزا محايد مشروط (CS؛ على سبيل المثال، لهجة، ومضة من الضوء، أو التحفيز الطولي)، والمثير غير الشرطي البارزة (الولايات المتحدة، على سبيل المثال، وهي نفخة الهواء للعين، أو صدمة الحجاج). الولايات المتحدة يتسبب في غير المشروطة، والاستجابة eyeblink انعكاسية (أي اور). في نهاية المطاف، بعد عدة عروض من تقرن CS-الولايات المتحدة، موضوع يتعلم لربط CS مع الولايات المتحدة. هذا التعلم يتجلى في شكل استجابة مشروطة (CR)، وهو eyeblink التي تسببها خدمات العملاء وحدها التي تسبق تقديم الولايات المتحدة.
يتضمن تكييف Eyeblink في شكل أثر فاصل خالية من التحفيز من عدد قليل من حميلي ثانية undred الذي يفصل بين CS والولايات المتحدة (الشكل 1). تكييف أثر هو شكل من أشكال التعلم التعريفي لأنه يتطلب الوعي الطارئة التحفيز 1. الفجوة الزمنية تتطلب الحيوان للحفاظ على العصبية "أثر" من CS في مناطق الدماغ المقدم مثل الحصين من أجل الولايات المتحدة وCS لتصبح المرتبطة 1-6. جنبا إلى جنب مع المناطق الدماغ المقدم، تكييف أثر يعتمد أيضا على المخيخ 7.
تكييف Eyeblink هو، بالتالي، نموذجا مفيدا للتحقيق في جوانب متعددة من الذاكرة، بما في ذلك الاستحواذ، وتوحيد، واسترجاعها. خلال تكييف eyeblink، يتم تقديم مجموعة مراقبة من الحيوانات مع المثيرات المفردة في ترتيب عشوائي لاختبار pseudoconditioning أو محسسة الردود على CS التي قد تكون ناجمة عن عرض الولايات المتحدة وحدها بدلا من جمعية CS-الولايات المتحدة المستفادة.
وappara يشيع استخدامهاطوس للتحقيق في تكييف eyeblink في القوارض هو المجلس الذي يسمح للقوارض على التحرك بحرية أثناء عملية التدريب 8-10. مع هذا النوع من الأجهزة، ويرد على حبل عادة إلى خوذة وهذا هو الملصقة على جمجمة القوارض. حبل يسمح لتسليم الولايات المتحدة (وأحيانا CS) ولنقل استجابة الحيوان إلى تلك المحفزات (أي استجابة eyeblink) 10. ويمكن تعديل حبل نفسها على أساس نوع من المحفزات تسليمها وكيف يتم تسجيل استجابة eyeblink.
سبب استخدام "الحركة بحرية" الفئران المربوطة لتكييف eyeblink هو أن الفئران النضال ضد ضبط النفس. على الرغم من الأنواع الأخرى قد تكون أكثر قابلية للضبط النفس، والميزة الرئيسية لاستخدام الفئران في التجارب تكييف eyeblink هي أن معظم سلالات متحولة المعدلة وراثيا المتاحة هي سلالات الفئران. بالإضافة إلى تكافح، الدقة الكاملةtraint من الفئران يؤدي إلى اكتئاب حاد. ومن شأن إعداد الماوس ثابت رئيس أن يقلل من الإجهاد زيادة المعلومات الفسيولوجية التي يمكن الحصول عليها خلال تكييف eyeblink. على سبيل المثال، أن هذا النظام يسمح التصوير من الخلايا العصبية القشرية مع 2-الفوتون المجهري 11.
وقد استخدمت الاستعدادات الثابتة الرأس في التجارب السابقة للتصوير الضوئي من القشرة من خلال زرع في الجمجمة القابلة للإزالة، في الجسم الحي التسجيلات الكهربية من المخ القوارض مع المصفوفات صمام رباعي، واثنين من الفوتون التصوير الكالسيوم، وأيضا كمنصة للتكييف eyeblink في الفئران 11 -16.
في نظام ثابت الرأس، وضمان تحفيز موثوقة والتسجيلات دون ضبط النفس الكامل من الفأرة (الشكل 2). يتم تثبيتها ونقش مثل تلك المستخدمة في نظام التنقل بحرية لجمجمة الفأر. خلال التدريب، ويتم تثبيتها على خوذة إلى الموصل التي تعلق على القضبان على حلقة مفرغة أسطواني من أجل استقرار رأس القوارض (الشكل 2A). مطحنة أسطواني يسمح الماوس للراحة بشكل مريح، ولكن إذا كان الماوس يريد ذلك، يسمح أيضا لتشغيل أو المشي. مع استخدام هذا النظام، والفئران يمكن تدريب مع اهتزاز الطولي كما CS وصدمة كهربائية خفيفة الحجاج مثل الولايات المتحدة (الشكل 1). يتم تسليم الولايات المتحدة من خلال الأسلاك توضع جراحيا تحت الجلد الجانبي للعين. يتم تسليم CS عبر مشط التي يتم تركيبها على 2-طبقة مستطيلة الانحناء المحرك (الشكل 2B). ثم يتم إرفاق مشط والانحناء المحرك إلى قاعدة المغناطيسية التي يتم نقلها إلى الموقف الصحيح خلال التدريب ويتم تعديل لتسليم الأمثل لكل حيوان على حدة. يتم وضع مشط لتنتشر على شعيرات المحدد. خلال تسليم CS، يتم إرسال إشارة إلى المحرك الانحناء أن يزيح المشط ويؤدي إلى اهتزاز شعيرات 17.
<p classوقد استخدمت = "jove_content"> المحفزات الأخرى مثل نغمة أو ومضة من الضوء والمحفزات مشروطة فعالة في الفئران في 16،18،19 الماضي. يتم اختيار الخط الطولي التحفيز سبب CS في هذا النموذج التجريبي هو اعتماد الحيوانات الفئران على vibrissae من أجل إدخال المعلومات جسدي حسي خلال الاستكشاف. وقد تبين الطولي التحفيز لتكون موثوقة وفعالة CS 20. وعلاوة على ذلك، وبالنظر إلى الركيزة القشرية راسخة والمنظم للنظام vibrissae (أي القشرة برميل)، وتحفيز الطولي كما يوفر CS أداة أنيقة لرسم خرائط التغييرات القشرية واللدونة المرتبط بتعلم تكييف eyeblink 20،21. ويسمح نظام ثابت رئيس لتحفيز الدقيق للشعيرات المحدد إلى مقارنة الاستجابات بين الخلايا العصبية والخلايا العصبية تلقي المدخلات من شعيرات غير حفز حفز. وأخيرا، فإن العديد من سلالات من الفئران يحمل المرتبطة بالعمر فقدان السمع في سن نسبيا الكبار <suع> 22، وإغلاق جفن خلال طرفة مكيفة يغير من CS البصرية (على الرغم من أن CS البصرية يفعل تحسين القضايا مع ردود إجفالية 16). لا يتأثر الطولي التحفيز عن طريق أي من هذه المضاعفات.المقدمة هنا هي تعديلات فريدة وهامة على الاستعدادات الثابتة رأس أخرى لتكييف eyeblink، بما في ذلك أساليب CS والولايات المتحدة تسليم، والاستحواذ على استجابة eyeblink. وتتجلى مصداقية هذا الجهاز ونموذج التدريب في تكييف eyeblink من منحنيات من الفئران مكيفة ومنحنى التعلم مسطح نسبيا من الحيوانات السيطرة pseudoconditioned (الشكل 7A) التعلم.
Protocol
Representative Results
Discussion
تكييف eyeblink الكلاسيكي هو شكل من أشكال التعلم النقابي الذي هو أداة مفيدة لفهم ركائز العصبية الكامنة وراء التعلم والذاكرة. الطرق السابقة المستخدمة لتكييف eyeblink في القوارض مثل الفئران تشارك غرفة التي سمحت لهذا الحيوان للتحرك بحرية. وإعداد ثابت رئيس لتكييف eyeblink في الفئرا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم تمويل هذا العمل من قبل وزارة الدفاع (W81XWH-13-01-0243)، والمعاهد الوطنية للصحة (R37 AG008796). نشكر آلان بيكر في ورشة ميكانيكا جامعة نورث وسترن لبناء جهاز أسطوانات ثابتة الرأس. نشكر الدكتور Shoai هاتوري لقيادته في MATLAB وسوليدووركس. نشكر الدكتور جون الطاقة للبرنامج ابفيف التي تسيطر على التجربة.
Materials
| Exervo TeraNova Foam Roller 36" x 6" | Amazon | B002ONUM0E | For cylinder |
| Plexiglas | Custom-made; 1 cm thick | ||
| Metal Rods (12.7mm diameter) | Custom-made | ||
| 4-40 machine screw (.25 in long) | Amazon Supply | B00F33Q8QO | For cylinder |
| Classic Design Hair Comb | Conair | 93505WG-320 | For whisker stimulation |
| 2-Layer Rectangular Bending Actuator | Piezo Systems | T220-A4-303X | For whisker stimulation |
| Solder and Flux Kit | Piezo Systems | MSF-003-NI | For whisker stimulation |
| Magnetic Base | Thor Labs | MB175 | For whisker stimulation |
| Threaded rod for magnetic base | Custom-made | ||
| Strips based on 221 series nylon strip connectors from Electronic Connector Corp. | Custom-made, based on Weiss and Disterhoft, 2008 | ||
| TO-220 Style Transistor | Amazon Supply | B0002ZPZYO | For connector; for the wings |
| Relia-Tac Sockets | Electronic Connector Corp. | 220-S02 | For connector |
| Relia-Tac Pins | Electronic Connector Corp. | 220-P02 | For headpiece |
| 0-80 stainless steel machine screw (1 in. long) | Amazon Supply | B000FN68EE | Locking Screw |
| 0-80 stainless steel machine screw hex nut (5/32 in. thick) | Amazon Supply | B000N2TK7Y | Locking Screw Head |
| Loctite Super Glue-Liquid | Loctite | 1365896 | Cyanoacrylic glue; for the locking screw |
| Quick Setting Epoxy | Ace Hardware | 18613 | For connector and whisker stimulation system |
| Ethernet Cable Wires | Ethernet cable can be taken apart to use the individual wires for the connector | ||
| Polyimide coated stainless steel wires (2 in. long, .005 in. diameter) | PlasticsOne | 005sw/2.0 37365 S-S | For headpiece, EMG and shock wires |
| Stainless steel uncoated wire (.005 in. diameter) | AM Systems | 792800 | For headpiece, ground wires |
| Tenma Variable Autotransformer | Tenma | 72-110 | For the whisker stimulation; rheostat to adjust current to the bending actuator |
| Amplifier | A-M Systems | 1700 | Amplifier for filtering and amplifying EMG signals |
| WPI A385R stimulus isolator | World Precision Instruments | 31405 | For the electrical shock |
| Isothesia (Isoflurane) | Henry Schein: Animal Health | 50031 | For surgery; anesthesia |
| Buprenex Injectable CIII | Reckett Benckiser Pharmaceuticals Inc | NDC 12496-0757-1 | For surgery; analgesic |
| Akwa Tears: Lubricant Ophthalmic Ointment | Akorn | NDC 17478-062-35 | Artificial tear ointment to prevent dry eyes while under anesthesia |
| Povidine-Iodine Prep Pads | PDI | NDC 10819-3883-1 | For surgery; antiseptic |
| Alcohol Prep Pads | May be purchased from any standard pharmacy | ||
| Stainless steel surgical scalpel handles (no.3) | Integra Miltex | 4-7. | For surgery |
| Stainless steel surgical scalpel blades | Integra Miltex | 4-310 or 4-315 | For surgery; number 10 or 15 scalpel blade |
| 3% Hydrogen Peroxide | May be purchased from any standard pharmacy | ||
| Micro Clip | Roboz | RS-5459 | For surgery, to hold back skin |
| 00-90 stainless steel machine screw (0.0625 in. long) | Amazon Supply | B002SG89X4 | For surgery, to wrap ground wire around |
| Professional Rotary Tool | Walnut Hollow | 29637 | Hand drill for surgery, to drill holes in skull |
| Inverted Cone Burr | Roboz | RS-6282C-34 | Inverted cone burr size 34; for surgery, to drill holes in skull |
| Engraving Cutter Drill Bit | Dremel | 106 | Engraving cutter; 1.6 mm bit; for surgery, to drill holes in skull |
| C&B Metabond-Quick! Cement System "B" Quick Base | Parkell | S398 | For surgery; adhesive luting cement system; important to prevent headpiece avulsion |
| C&B Metabond-Quick! Cement System Clear L-Powder | Parkell | S399 | For surgery; adhesive luting cement system; important to prevent headpiece avulsion |
| C&B Metabond-Quick! Cement System "C" Universal TBB Catalyst 0.7 ml | Parkell | S371 | For surgery; adhesive luting cement system; important to prevent headpiece avulsion |
| C&B Metabond-Quick! Cement System Ceramic Mixing Dish with temperature strip | Parkell | S387 | For surgery; adhesive luting cement system; important to prevent headpiece avulsion |
| Swiss Tweezers, style #5 | World Precision Instruments | 504506 | For surgery |
| Puritan Cotton-Tipped Applicators | VWR International | 10806-005 | For surgery |
| Dental Caulk Grip Cement Kit | Dentsply | 675570 | For surgery; dental cement |
References
- Clark, R. E., Squire, L. R. Classical conditioning and brain systems: the role of awareness. Science. 280 (5360), 77-81 (1998).
- Thompson, R. F., Kim, J. J. Memory systems in the brain and localization of a memory. PNAS. 93 (24), 13438-13444 (1996).
- Solomon, P. R., Vander Schaaf, E. R., Thompson, R. F., Weisz, D. J. Hippocampus and trace conditioning of the rabbit’s classically conditioned nictitating membrane response. Behav Neurosci. 100 (5), 729-744 (1986).
- Moyer, J. R., Deyo, R. A., Disterhoft, J. F. Hippocampectomy disrupts trace eye-blink conditioning in rabbits. Behav Neurosci. 104 (2), 243-252 (1990).
- Weiss, C., Bouwmeester, H., Power, J. M., Disterhoft, J. F. Hippocampal lesions prevent trace eyeblink conditioning in the freely moving rat. Behav Brain Res. 99 (2), 123-132 (1999).
- Weiss, C., Disterhoft, J. F. Exploring prefrontal cortical memory mechanisms with eyeblink conditioning. Behav Neurosci. 125 (3), 318-326 (2011).
- Aiba, A., et al. Deficient cerebellar long-term depression and impaired motor learning in mGluR1 mutant mice. Cell. 79 (2), 377-388 (1994).
- Skelton, R. W. Bilateral cerebellar lesions disrupt conditioned eyelid responses in unrestrained rats. Behav Neurosci. 102 (4), 586-590 (1988).
- Takehara, K., Kawahara, S., Takatsuki, K., Kirino, Y. Time-limited role of the hippocampus in the memory for trace eyeblink conditioning in mice. Brain Res. 951 (2), 183-190 (2002).
- Weiss, C., Disterhoft, J. F. Evoking blinks with natural stimulation and detecting them with a noninvasive optical device: A simple, inexpensive method for use with freely moving animals. J Neurosci Meth. 173, 108-113 (2008).
- Royer, S., et al. Control of timing, rate and bursts of hippocampal place cells by dendritic and somatic inhibition. Nature. 15 (5), 769-775 (2012).
- Goldey, G. J., et al. Removable cranial windows for long-term imaging in awake mice. Nature Protoc. 9 (11), 2515-2538 (2014).
- Lovett-Barron, M., et al. Dendritic inhibition in the hippocampus supports fear learning. Science. 343 (6173), 857-863 (2014).
- 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. Front in Integ Neurosci. 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. J Neurosci. 34 (45), 14845-14853 (2014).
- Siegel, J. J., et al. Trace Eyeblink Conditioning in Mice is Dependent upon the Dorsal Medial Prefrontal Cortex, Cerebellum, and Amygdala: Behavioral Characterization and Functional Circuity. eNeuro. , (2015).
- Galvez, R., Weiss, C., Cua, S., Disterhoft, J. A novel method for precisely timed stimulation of mouse whiskers in a freely moving preparation: application for delivery of the conditioned stimulus in trace eyeblink conditioning. J Neurosci Meth. 177 (2), 434-439 (2009).
- Gruart, A., Sánchez-Campusano, R., Fernández-Guizán, A., Delgado-Garcìa, J. M. A Differential and Timed Contribution of Identified Hippocampal Synapses to Associative Learning in Mice. Cereb Cortex. , (2014).
- Weiss, C., et al. Impaired Eyeblink Conditioning and Decreased Hippocampal Volume in PDAPP V717F Mice. Neurobiol Dis. 11 (3), 425-433 (2002).
- Galvez, R., Weiss, C., Weible, A. P., Disterhoft, J. F. Vibrissa-signaled eyeblink conditioning induces somatosensory cortical plasticity. J Neurosci. 26 (22), 6062-6068 (2006).
- Galvez, R., Weible, A. P., Disterhoft, J. F. Cortical barrel lesions impair whisker-CS trace eyeblink conditioning. Learn & Memory. 14 (1), 94-100 (2007).
- Johnson, K. R., Zheng, Q. Y., Erway, L. C. A Major Gene Affecting Age-Related Hearing Loss Is Common to at Least Ten Inbred Strains of Mice. Genomics. 70 (2), 171-180 (2000).
- Tseng, W., Guan, R., Disterhoft, J. F., Weiss, C. Trace eyeblink conditioning is hippocampally dependent in mice. Hippocampus. 14 (1), 58-65 (2004).
- Joachimsthaler, B., Brugger, D., Skodras, A., Schwarz, C. Spine loss in primary somatosensory cortex during trace eyeblink conditioning. J Neurosci. 35 (9), 3772-3781 (2015).
- Boele, H. J. Cerebellar and extracerebellar involvement in mouse eyeblink conditioning: the ACDC model. Front in Cell Neurosci. 3 (19), (2010).
- 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. J Neurophysiol. 88 (4), 2124-2133 (2002).
- Ward, R. L., Flores, L. C., Disterhoft, J. F. Infragranular barrel cortex activity is enhanced with learning. J Neurophysiol. 108 (5), 1278-1287 (2012).
