Баки-сигнализировал Классическая кондиционирования ока в голове фиксированных мышей
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
Кондиционирования ока форма павловской кондиционирования и модельная система для исследования нейронных механизмов ассоциативного обучения и памяти. Было исследовано у различных видов, включая человека, кроликов, кошек, крыс и мышей. Парадигма включает в себя презентацию двух спаренных стимулов: нейтральный условный раздражитель (CS, например: тональный сигнал, вспышку света, или усов стимуляции), а также Характерная безусловный стимул (США; например, воздушный слоеного к глазу, или периорбитальный шок). США вызывает безусловную, рефлексивный ответ ока (т.е. UR). В конце концов, после нескольких презентаций парного CS-США, субъект учится ассоциировать CS с США. Это обучение проявляется в виде условной реакции (CR), мгновение ока, вызываемый только КС, который предшествует представление США.
Кондиционер в ока формы следа включает стимул свободной интервал в несколько часовundred миллисекунды, отделяющий CS и США (рисунок 1). Трассировка кондиционирования является формой обучения декларативной , поскольку она требует осознания стимула непредвиденных обстоятельств 1. Временной разрыв требует животное , чтобы держать нейронную "след" от сотовой станции в регионах переднего мозга , таких как гиппокамп для того , чтобы США и CS , чтобы стали ассоциироваться 1-6. Наряду с регионах переднего мозга, след кондиционирования также зависит от мозжечка 7.
Кондиционирования ока, поэтому, полезная парадигма для изучения многочисленных аспектов памяти, в том числе приобретения, консолидации и поиска. Во время кондиционирования ока, контрольная группа животных представлена с непарных раздражителей в случайном порядке, чтобы испытать для псевдообусловливании или сенсибилизированных ответов на КС, которые могут быть вызваны американской презентации в одиночку, а не узнал ассоциации CS-США.
Обычно используется apparaЕП для исследования климатизации ока грызунов представляет собой камеру , в которой грызуны могут свободно передвигаться в процессе обучения 8-10. При таком типе устройства, лямки обычно прикрепляется к заставкой, прикрепленной к черепу грызуна. Привязь позволяет за доставку США (а иногда CS) и для передачи ответа животного на эти раздражители (то есть, ответ) 10 ока. Сам фал может быть изменен в зависимости от типа стимулов поставляется и как записывается ответ ока.
Причина использования "свободно движущихся" привязной мышей для кондиционирования ока, что мыши бороться против сдержанности. Хотя другие виды могут быть более склонны к сдержанности, основным преимуществом использования мышей в экспериментах кондиционирования ока является то, что большинство имеющихся генетически модифицированных мутантных штаммов штаммы мыши. В дополнение к борющимся, полный Резtraint мышей приводит к острой нуждой. Препарат мыши голова фиксируется, что сводит к минимуму стресс приведет к увеличению физиологической информации, которую можно получить в процессе кондиционирования ока. Например, эта система позволит визуализации корковых нейронов с 2-фотонной микроскопии 11.
Головные фиксированные препараты использовались в предыдущих экспериментах , для оптической визуализации коры через съемные черепных имплантатов, в естественных условиях электрофизиологических записей в мозге грызунов с тетрода массивов, визуализации кальция двухфотонному, а также в качестве платформы для ока климатизации мышей 11 -16.
В системе головного фиксированной, надежной стимуляции и записи обеспечивается без полного ограничения мыши (рисунок 2). Головной убор, как той, которая используется в свободно движущейся системе прикреплен к черепу мыши. Во время обучения, головной убор прикреплен к разъему, который прикреплен к барам надцилиндрический беговой дорожки для того , чтобы стабилизировать голову грызуна (рисунок 2А). Цилиндрическая беговая дорожка позволяет мыши комфортно отдохнуть, но если мышь так хочет, а также позволяет ему работать или ходить. При использовании этой системы, мыши могут быть обучены с усов вибрации как CS и мягким периорбитальным электрическим током , как США (рисунок 1). США доставляется через провода хирургическим путем размещается под латеральнее кожи к глазу. CS доставляется через гребнем , который прикреплен к 2-слойной прямоугольного привода изгибающий (Фигура 2В). Гребень и гнуть привод затем прикрепляется к магнитным основанием, которое перемещается в надлежащее положение во время тренировки и корректируется для оптимальной доставки для каждого отдельного животного. Гребень позиционируется оседлать выбранных бакенбарды. Во время доставки на сотовой станции, сигнал посылается к изгибающим привода , который перемещает гребень и приводит к вибрации усов 17.
<p class= "jove_content"> Другие стимулы , такие как тональный или вспышки света, были использованы в качестве эффективных условных раздражителей у мышей в прошлом 16,18,19. Причина усов стимуляции выбрана для CS в этой экспериментальной парадигмы является зависимость мышиных животных на их вибрисс для соматосенсорной ввода информации во время разведки. Баки стимуляции было показано , быть надежным и эффективным CS 20. Кроме того, учитывая устоявшуюся и организованной кортикальный субстрат системы вибриссы (т.е. ствол коры головного мозга), усов стимуляции как CS обеспечивает элегантный инструмент для картирования корковых изменений и пластичности , связанные с обучением 20,21 кондиционирования ока. Система лобовом фиксированной позволяет точно стимуляции выбранных усов для сравнения ответов между стимулированных нейронов и нейронов, получающих входные сигналы от нестимулированных усов. Наконец, многие штаммы мышей обладают возрастная потеря слуха как относительно молодых взрослых <suр> 22, и веко закрытие во время условного мерцании изменяет визуальный CS (хотя визуальный CS делает улучшить проблемы с испуга ответов 16). Баки стимуляция не влияет либо из этих осложнений.Здесь представлены уникальные и важные изменения на другие препараты головы фиксировали для кондиционирования, ока включая методы CS и США поставки, а также приобретение ответа ока. Надежность этого аппарата и учебной парадигмы в кондиционированию ока продемонстрирована путем изучения кривых из кондиционированной мышей и относительно плоской кривой обучения от pseudoconditioned контрольных животных (рис 7А).
Protocol
Representative Results
Discussion
Классическая кондиционирования ока форма ассоциативного обучения, который является полезным инструментом для понимания нейронных субстратов, лежащих в основе обучения и памяти. Предыдущие методы, используемые для кондиционирования в ока грызунов, таких как мыши участвуют в камеру, ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа финансировалась Министерством обороны США (W81XWH-13-01-0243) и Национального института здоровья (R37 AG008796). Мы благодарим Алана Бейкера в машинном цехе Северо-Западного университета для создания цилиндра устройства головки фиксированной. Мы благодарим доктора Shoai Хаттори за его руководство в среде MATLAB и Solidworks. Мы благодарим доктора Джона Сила для LabView программного обеспечения, которое контролируемого эксперимента.
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).
