ヘッド固定マウスのヒゲ合図瞬目古典的条件
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
瞬目のコンディショニングは、パブロフの条件付けと連想学習と記憶の神経機構を調査するためのモデルシステムの一形態です。それは、ヒト、ウサギ、ネコ、ラット、およびマウスを含む様々な種において研究されています。パラダイムは、2つの対になった刺激の提示を含む：ニュートラル条件刺激（CS; 例えば 、音、光のフラッシュ、またはウィスカ刺激）、および顕著な無条件刺激（米国; 例えば 、目への空気パフを、または眼窩周囲ショック）。米国は無条件、反射的瞬目反応（ すなわち 、UR）を誘発します。最終的には、対になったCS-USのいくつかのプレゼンテーションの後、被験者は、米国でCSを関連付けることを学びます。この学習は条件反応（CR）、米国のプレゼンテーションの前にCS単独によって誘発された瞬目の形で現れます。
トレース形式で瞬目のコンディショニングは、数時間の刺激のない間隔を含み、CSと米国（ 図1）を分離undredミリ秒。それは刺激の偶発1の認識を必要とするので、トレースコンディショニングは、宣言的な学習の一形態です。時間的なギャップは、関連1-6になるために米国とCS用のために、このような海馬のような前脳領域ではCSの神経「トレース」を維持するために動物を必要とします。前脳領域に加えて、痕跡条件はまた、小脳7に依存しています。
瞬目のコンディショニングは、したがって、買収、統合、および検索を含むメモリの複数のファセットの調査のための有用なパラダイムです。瞬目条件付けの間、動物の対照群は、米国のプレゼンテーションだけではなく、学習したCS-US協会によって引き起こされる可能性がCSにpseudoconditioningまたは感作された応答をテストするランダムな順序で不対刺激が提示されます。
一般的に使用されるapparaTUSげっ歯類における瞬目のコンディショニングの調査のために齧歯類が訓練プロセス8-10の間、約自由に移動することが許可されているチャンバです。この種の装置では、テザーは、通常、げっ歯類の頭蓋骨に固定されているヘッドピースに取り付けられています。テザーは、米国（そして時にはCS）の送達のために、それらの刺激に対する動物の反応（ すなわち、瞬目反応）10を送信することができます。テザー自体は配信刺激のタイプに基づいて修正されてもよいし、瞬目の応答を記録する方法。
瞬目のコンディショニングのために「自由に動く」係留マウスを使用する理由は、マウスが拘束闘いということです。他の種の拘束により適してもよいが、瞬目条件付け実験において、マウスを使用することの主な利点は、利用可能な遺伝的に改変された変異株の大部分はマウス系統であることです。苦労に加えて、完全な解像度マウスのtraintは、急性苦痛になります。応力を最小限にヘッド固定マウスの調製は、瞬目のコンディショニング中に得られる生体情報を増加させます。例えば、このシステムは、2光子顕微鏡11と皮質ニューロンの画像化を可能にします。
頭部固定製剤は、また、マウス11における瞬目のコンディショニングのためのプラットフォームとして、四極アレイ、二光子カルシウムイメージングで齧歯類の脳の生体内電気生理学的記録に 、取り外し可能な頭蓋インプラントを介して皮質の光学的画像化のために、前の実験で使用されています-16。
頭部固定システムでは、信頼性の刺激と記録は、マウス（ 図2）を完全に拘束することなく確保されています。自在移動系で使用されるようなヘッドピースは、マウスの頭蓋骨に固定されています。トレーニング中に、ヘッドピースは、上バーに取り付けられているコネクタに取り付けられていますげっ歯類の頭（ 図2A）を安定化するために、円筒状のトレッドミル。円筒状のトレッドミルは、マウスを快適に休息することができますが、マウスがそう望む場合、また、それを実行するか、歩くことができます。このシステムを使用することで、マウスはCSや米国のような穏やかな眼窩周囲の電気ショックなどのウィスカー振動（ 図1）を用いて訓練することができます。米国は、外科的に目には横方向の皮膚の下に配置配線を介して配信されます。 CSは、2層の矩形曲げアクチュエータ（ 図2B）に接続されている櫛を介して配信されます。櫛曲げアクチュエータは次いで、トレーニング中に適切な位置に移動させ、それぞれの個々の動物のための最適な送達のために調整されている磁気ベースに取り付けられています。櫛は、選択したウィスカーを跨ぐように配置されています。 CSの配信中に、信号が櫛を置換し、ウィスカ17の振動につながる曲げアクチュエータに送信されます。
<p classこのような音や光のフラッシュとして= "jove_content">その他の刺激が過去16,18,19のマウスで効果的な条件刺激として使用されています。ウィスカの刺激は、この実験パラダイムでCSのために選択される理由は、探査中の体性感覚情報入力のための彼らの鼻毛上のマウスの動物の依存性です。ウィスカ刺激は、信頼性と効果的なCS 20であることが示されています。 CSは瞬目コンディショニング20,21の学習に関連した皮質の変化と可塑性をマッピングするためのエレガントなツールを提供するようさらに、鼻毛システム（ すなわち 、バレル皮質）の十分に確立し、組織化皮質基板、ウィスカ刺激を与えられました。頭部固定システムは、刺激ニューロンおよび非刺激ウィスカーからの入力を受けるニューロン間の応答を比較するために選択したウィスカーの正確な刺激を可能にします。最後に、マウスの多くの株は、年齢関連難聴などの比較的若年成人を示します<su（視覚CSは驚愕応答16の問題を改善していますが）エアコン点滅中のp> 22、およびまぶたの閉鎖は、視覚的なCSを変化させます。ウィスカの刺激は、これらの合併症のいずれかに影響されません。ここで提示CSと米国の送達のための方法、および瞬目レスポンスの取得など、瞬目のコンディショニングのために他のヘッド固定製剤、時のユニークで重要な変更があります。この装置と瞬目コンディショニングの訓練パラダイムの信頼性は、エアコン、マウスとpseudoconditioned対照動物（ 図7A）から比較的平坦な学習曲線から曲線を学習することによって実証されています。
Protocol
Representative Results
Discussion
古典的な瞬目のコンディショニングは、学習と記憶の基礎となる神経基盤を理解するために有用なツールである連想学習の一形態です。マウスなどのげっ歯類の瞬目のコンディショニングのために使用前の方法は、動物が約自由に移動するのを許可されたチャンバーを関与します。シーゲルらに光誘発トレース瞬目コンディショニングにChettih らとHeiney ら。そして最近で?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、国防総省（W81XWH-13-01-0243）と国立衛生研究所（R37 AG008796）によって賄われていました。我々は、ヘッド固定シリンダ装置を構築するためのノースウェスタン大学の機械工場でアラン・ベイカーに感謝します。私たちは、MATLABとSolidWorksで彼の指導のために博士Shoai服部に感謝します。我々は実験を制御LabVIEWソフトウェアのためのドクター・ジョンの電源を感謝します。
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).
