Moustaches de signalisation eyeblink conditionnement classique chez les souris de tête-fixe
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
conditionné eyeblink est une forme de conditionnement pavlovien et un système de modèle pour étudier les mécanismes neuronaux de l'apprentissage associatif et de la mémoire. Il a été étudié chez différentes espèces, y compris les humains, les lapins, les chats, les rats et les souris. Le paradigme implique la présentation de deux stimuli appariés: un stimulus neutre conditionné (CS, par exemple, un ton, un éclair de lumière, ou la stimulation de la moustache), et un stimulus inconditionné saillant (Etats – Unis, par exemple, une bouffée d'air à l'œil, ou choc périorbitaire). Les États – Unis suscite, une réponse eyeblink réflexive inconditionnée (c. -à- UR). Finalement, après plusieurs présentations du CS-US jumelé, le sujet apprend à associer le CS avec les États-Unis. Cet apprentissage se manifeste sous la forme d'une réponse conditionnée (RC), un clin d'œil provoquée par le CS seul qui précède la présentation des Etats-Unis.
conditionné eyeblink sous forme de trace comprend un intervalle de quelques heures sans stimulusmillisecondes undred qui sépare le CS et les États – Unis (figure 1). Trace conditionné est une forme d'apprentissage déclarative puisqu'elle nécessite la sensibilisation aux risques de relance 1. L'écart temporel besoin de l'animal pour maintenir une neuronal «trace» de la CS dans les régions du cerveau antérieur telles que l'hippocampe pour que les États – Unis et de la CS de devenir associé 1-6. Ainsi que les régions du cerveau antérieur, le conditionnement de trace est également dépendante du cervelet 7.
conditionné eyeblink est donc un paradigme utile pour l'enquête sur les multiples facettes de la mémoire, y compris l'acquisition, la consolidation et la récupération. Pendant le conditionnement eyeblink, un groupe témoin d'animaux est présenté avec des stimuli non appariés dans un ordre aléatoire pour tester pseudoconditioning ou sensibilisés réponses à la CS qui peuvent être causés par la présentation seuls Etats-Unis plutôt que d'une association CS-US appris.
Un appa couramment utiliséTus pour l'enquête du conditionnement eyeblink chez les rongeurs est une chambre dans laquelle les rongeurs sont autorisés à se déplacer librement pendant le processus de formation 8-10. Avec ce type d'appareil, une attache est normalement attaché à une pièce de tête qui est fixée au crâne du rongeur. L'attache permet la livraison des États – Unis (et parfois le CS) et pour transmettre la réponse de l'animal à ces stimuli ( par exemple, la réponse de eyeblink) 10. L'attache elle-même peut être modifiée en fonction du type de stimulus délivré et la manière dont la réponse en eyeblink est enregistrée.
La raison de l'utilisation "librement mobiles" souris attachés pour le conditionnement eyeblink est que les souris luttent contre la retenue. Bien que d'autres espèces peuvent être plus favorable à la retenue, le principal avantage d'utiliser des souris dans des expériences de conditionnement eyeblink est que la majorité des souches mutantes disponibles génétiquement modifiées sont des souches de souris. En plus de difficulté, res completsTraint des souris entraîne une détresse aiguë. Une préparation de la souris tête fixe qui minimise le stress augmenterait l'information physiologique qui peut être obtenue pendant le conditionnement eyeblink. Par exemple, ce système pourrait permettre l' imagerie des neurones corticaux avec deux photons 11 microscopie.
Préparations de tête fixe ont été utilisées dans les expériences précédentes pour l' imagerie optique du cortex au moyen d' implants crâniens amovibles, in vivo , des enregistrements électrophysiologiques du cerveau de rongeurs avec des tableaux tétrode, l' imagerie calcique à deux photons, et aussi comme une plate – forme pour le conditionnement eyeblink chez les souris 11 -16.
Dans le système de tête fixe, la stimulation et des enregistrements fiables sont assurés sans retenue complète de la souris (Figure 2). Un bandeau tel que celui utilisé dans le système se déplaçant librement est fixé sur le crâne de la souris. Pendant l'entraînement, l'élément de tête est fixé à un connecteur qui est fixé au-dessus des barresun tapis roulant cylindrique afin de stabiliser la tête du rongeur (figure 2A). Le tapis de course cylindrique permet à la souris de se reposer confortablement, mais si la souris le souhaite, lui permet également de courir ou de marcher. Avec l'utilisation de ce système, les souris peuvent être formés avec une vibration de moustache que le CS et un choc électrique périorbitaire doux que les États – Unis (figure 1). Les États-Unis est assurée par des fils chirurgicalement placés sous la partie latérale de la peau à l'œil. CS est délivrée par l' intermédiaire d' un peigne qui est attaché à une couche 2 rectangulaire actionneur de flexion (figure 2B). Le peigne et de l'actionneur de flexion sont ensuite attachés à une base magnétique qui est déplacé vers la position correcte pendant l'entraînement et est ajusté pour la livraison optimale pour chaque animal. Le peigne est positionné à cheval sur les moustaches sélectionnés. Lors de la livraison du CS, un signal est envoyé à l'actionneur de cintrage qui déplace le peigne et conduit à des vibrations des barbes 17.
<p class= "jove_content"> D' autres stimuli comme une tonalité ou un flash de lumière ont été utilisées comme stimuli conditionnés efficaces chez la souris dans le passé 16,18,19. La stimulation de trichites de motif est choisi pour que le CS dans ce paradigme expérimental est la dépendance à l'égard des animaux murins sur leur vibrisses pour somatosensoriel entrée d'information au cours de l'exploration. Moustaches stimulation a été montré pour être un CS fiable et efficace 20. En outre, étant donné le substrat cortical bien établi et organisé du système de vibrisses (ie, le cortex baril), la stimulation de la moustache que le CS fournit un outil élégant pour cartographier les changements corticaux et la plasticité associés à l' apprentissage eyeblink conditionné 20,21. Un système de tête fixe permet la stimulation précise de moustaches sélectionnées pour comparer les réponses entre les neurones et les neurones recevant des entrées de moustaches non stimulées stimulées. Enfin, de nombreuses souches de souris présentent une perte auditive liée à l'âge comme relativement jeunes adultes <sup> 22, et la fermeture des paupières pendant le clignotement conditionné modifie une CS visuelle (bien qu'un CS visuel fait améliorer les questions avec des réponses effarouchées 16). Trichites stimulation ne soit pas affectée par l'une ou l'autre de ces complications.Présenté ici sont des modifications uniques et importantes sur d'autres préparations de tête-fixe pour le conditionnement eyeblink, y compris les méthodes de livraison CS et des États-Unis, et l'acquisition de la réponse eyeblink. La fiabilité de cet appareil et le paradigme de la formation dans le conditionnement eyeblink est démontrée par des courbes de souris climatisées et une courbe d'apprentissage relativement plat des animaux témoins pseudoconditioned (Figure 7A) d' apprentissage.
Protocol
Representative Results
Discussion
Classique eyeblink conditionné est une forme d'apprentissage associatif qui est un outil utile pour comprendre les substrats neuronaux sous-jacents apprentissage et la mémoire. Les méthodes précédentes utilisées pour le conditionnement eyeblink chez les rongeurs tels que les souris impliqués une chambre qui a permis à l'animal de se déplacer librement. Une préparation de tête fixe pour le conditionnement eyeblink chez la souris, en utilisant l'appareil décrit par Chettih et al. Et Heiney…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été financé par le ministère de la Défense (W81XWH-13-01-0243) et les National Institutes of Health (R37 AG008796). Nous remercions Alan Baker dans la boutique de la machine de la Northwestern University pour la construction de l'appareil de culasse fixe. Nous remercions le Dr Shoai Hattori pour ses conseils en MATLAB et Solidworks. Nous remercions le Dr John Power pour le logiciel LabView qui contrôlait l'expérience.
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).
