Une plate-forme flexible pour la surveillance de l’apprentissage associatif sensoriel dépendant du cervelet
Summary
Nous avons développé une plate-forme unique pour suivre le comportement des animaux lors de deux tâches d’apprentissage associative dépendantes des fibres d’escalade. La conception à faible coût permet l’intégration avec des expériences optogénétiques ou d’imagerie orientées vers l’activité cérébelleuse associée aux fibres grimpantes.
Abstract
Les entrées de fibres grimpantes dans les cellules de Purkinje fournissent des signaux instructifs essentiels à l’apprentissage associatif dépendant du cervelet. L’étude de ces signaux chez des souris à tête fixe facilite l’utilisation de méthodes d’imagerie, électrophysiologiques et optogénétiques. Ici, une plate-forme comportementale à faible coût (~ 1000 $) a été développée qui permet de suivre l’apprentissage associatif chez des souris à tête fixe qui se déplacent librement sur une roue de course. La plateforme intègre deux paradigmes d’apprentissage associatifs courants : le conditionnement des sourcils et le conditionnement des sursauts tactiles retardés. Le comportement est suivi à l’aide d’une caméra et le mouvement de la roue par un détecteur. Nous décrivons les composants et la configuration et fournissons un protocole détaillé pour la formation et l’analyse des données. Cette plateforme permet l’incorporation de la stimulation optogénétique et de l’imagerie par fluorescence. La conception permet à un seul ordinateur hôte de contrôler plusieurs plates-formes pour l’entraînement simultané de plusieurs animaux.
Introduction
Le conditionnement pavlovien de l’association subseconde entre les stimuli pour provoquer une réponse conditionnée a longtemps été utilisé pour sonder l’apprentissage cérébelleux-dépendant. Par exemple, dans le conditionnement classique des sourcils à retard (DEC), les animaux apprennent à faire un clignotement protecteur bien synchronisé en réponse à un stimulus conditionnel neutre (CS; par exemple, un éclair de lumière ou un ton auditif) lorsqu’il est associé à plusieurs reprises à un stimulus inconditionnel (US; par exemple, une bouffée d’air appliquée à la cornée) qui provoque toujours un clignement réflexe, et qui arrive à la fin ou près de la fin du CS. La réponse apprise est appelée réponse conditionnée (RC), tandis que la réponse réflexe est appelée réponse inconditionnée (UR). Chez le lapin, les lésions spécifiques au cervelet perturbent cette forme d’apprentissage 1,2,3,4. En outre, les pics du complexe cellulaire de Purkinje, entraînés par leurs entrées de fibre ascendante5, fournissent un signal nécessaire de 6,7 et suffisamment de 8,9 pour l’acquisition de CR correctement chronométrés.
Plus récemment, des paradigmes d’apprentissage associatif dépendant des fibres grimpantes ont été développés pour les souris à tête fixe. DEC a été le premier paradigme d’apprentissage associatif à être adapté à cette configuration10,11. Dec chez les souris à tête fixe a été utilisé pour identifier les régions cérébelleuses 11,12,13,14,15,16,17 et les éléments de circuit 11,1 2,13,14,15,18,19 qui sont nécessaires à l’acquisition et à l’extinction des tâches. Cette approche a également été utilisée pour démontrer comment la représentation physiologique au niveau cellulaire des paramètres de la tâche évolue avec l’apprentissage 13,15,16.
En plus du clin d’œil, le paradigme du conditionnement tactile à sursaut différé (DTSC) a récemment été développé en tant que nouvelle tâche d’apprentissage associatif pour les souris à tête fixe20. Conceptuellement similaire à DEC, DTSC implique la présentation d’un CS neutre avec un US, un tapotement sur le visage suffisamment intense pour engager un réflexe de sursaut21,22 comme UR. Dans le paradigme DTSC, l’UR et le CR sont lus comme une locomotion vers l’arrière sur une roue. DTSC a maintenant été utilisé pour découvrir comment l’apprentissage associatif modifie l’activité cérébelleuse et les modèles d’expression des gènes20.
Dans ce travail, une méthode a été développée pour appliquer de manière flexible DEC ou DTSC dans une seule plate-forme. Les attributs du stimulus et de la plate-forme sont schématisés à la figure 1. La conception intègre la capacité de suivre le comportement des animaux avec une caméra ainsi qu’un codeur rotatif pour suivre la locomotion de la souris sur une roue. Tous les aspects de l’enregistrement des données et de la structure d’essai sont contrôlés par des microcontrôleurs couplés (Arduino) et un ordinateur monocarte (SBC; Raspberry Pi). Ces appareils sont accessibles via une interface utilisateur graphique fournie. Ici, nous présentons un flux de travail pour la configuration, la préparation et l’exécution des expériences, ainsi qu’un pipeline d’analyse personnalisé pour la visualisation des données.
Protocol
Representative Results
Discussion
La plate-forme avec les protocoles associés décrits ici peut être utilisée pour suivre de manière fiable le comportement animal dans deux tâches d’apprentissage associatif sensoriel. Chaque tâche dépend d’une communication intacte à travers le sentier de fibre d’escalade. Dans la conception décrite ici, nous incorporons des éléments pour faciliter l’apprentissage et l’enregistrement / perturbation de la réponse cérébelleuse. Ceux-ci incluent une roue pour permettre une locomotion libre<sup class=…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail est soutenu par des subventions des National Institutes of Mental Health NRSA F32 MH120887-03 (à G.J.B.) et R01 NS045193 et R01 MH115750 (à S.S-H.W.). Nous remercions les Drs Bas Koekkoek et Henk-Jan Boele pour leurs discussions utiles pour l’optimisation de la configuration du DEC et les Drs Yue Wang et Xiaoying Chen pour leurs discussions utiles pour optimiser la configuration du DTSC.
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
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