Registro do potencial de ação simples Neurônios 'de livremente mover Pombos em três estágios da aprendizagem
Summary
Aprender novas associações estímulo-resposta envolve uma ampla gama de processos neurais que são em última análise, refletem na mudança de pico de saída de neurônios individuais. Aqui nós descrevemos um protocolo de comportamento que permite o registro contínuo da atividade de um único neurônio enquanto que os animais adquirem, extinguir, e readquirir uma resposta condicionada em uma única sessão experimental.
Abstract
Enquanto o sujeito da aprendizagem atraiu imenso interesse dos cientistas, tanto comportamentais e neurais, apenas relativamente poucos pesquisadores observaram a atividade de um único neurônio enquanto os animais estão adquirindo uma resposta operantly condicionado, ou quando essa resposta é extinto. Mas, mesmo nestes casos, períodos de observação geralmente abrangem apenas uma única fase de aprendizagem, ou seja, aquisição ou extinção, mas não ambos (exceções incluem protocolos que empregam aprendizagem reversa; ver Bingman et al 1 para um exemplo.). No entanto, a aquisição e extinção implicam diferentes mecanismos de aprendizagem e, portanto, deverão ser acompanhados por diferentes tipos e / ou loci de plasticidade neural.
Nesse sentido, desenvolvemos um paradigma comportamental que institui três estágios de aprendizagem em uma única sessão comportamental e que é bem adequado para a gravação simultânea de potenciais de ação dos neurônios individuais. Animais umre treinados em uma tarefa de escolha forçada intervalo único que requer mapeamento cada uma das duas respostas de escolha possíveis para a apresentação de diferentes estímulos visuais inovadores (aquisição). Depois de ter atingido um critério de desempenho pré-definida, uma das duas respostas de escolha já não é reforçada (extinção). Após um certo decréscimo no nível de desempenho, respostas corretas são reforçadas novamente (reaquisição). Ao utilizar um novo conjunto de estímulos em cada sessão, os animais podem sofrer o processo de aquisição de extinção-reaquisição repetidamente. Porque todas as três fases de aprendizagem ocorrem numa única sessão de comportamento, o paradigma é ideal para a observação simultânea da saída de cravação de múltiplos neurónios individuais. Usamos pombos como sistemas modelo, mas a tarefa pode ser facilmente adaptada para outras espécies capazes de aprendizagem discriminação condicionado.
Introduction
Aprender novas associações estímulo-resposta para os resultados envolve uma ampla gama de processos de plasticidade neural. Estes processos são, em última análise reflete na saída pico mudando de neurônios individuais. Indiscutivelmente, um dos paradigmas mais utilizadas de aprendizagem é o medo condicionamento pavloviano realizado com roedores. Neste cenário, a aquisição e extinção de uma resposta condicionada ocorrer dentro de algumas dezenas de ensaios 2. O desenvolvimento rápido de medo condicionado pode ser vantajoso porque permite que a execução de um grande número de animais dentro de um curto espaço de tempo. Além disso, a aquisição ea extinção pode ser observado dentro de algumas dezenas de ensaios em um único dia em animais ingênuos 3,4 ou espalhados por 2 ou 3 dias 2,5-8. No entanto, os conhecimentos adquiridos sobre as mudanças de atividade neural durante a aprendizagem nesses experimentos não se aplicam necessariamente fora do domínio do medo condicionado. Por exemplo, o comportamento alvo-dirigida impulsionado pela posiçãoreforço tiva é mais adequadamente modelada por operante em vez de procedimentos de Pavlov condicionado, e pode, em parte, dependem de diferentes substratos neurais 9,10. Além disso, o condicionamento do medo se desenvolve tão rapidamente que as respostas neurais para o CS só pode ser observado por algumas dezenas de ensaios, colocando limites severos na análise das mudanças de atividade neural durante a aprendizagem.
Infelizmente, a aquisição e extinção do responder operante normalmente leva vários dias. Isto é prejudicial para as investigações neurofisiológicos, porque é notoriamente difícil de gravar a actividade de células individuais ao longo de mais do que algumas horas. Devido à alta similaridade das formas de onda de potenciais de ação extracelular gravados, é problemático afirmar que picos registrados no primeiro dia são gerados a partir da mesma célula como picos com ondas semelhantes gravado no próximo 11,12, especialmente em áreas com alta densidade de células, tais como o hipocampo.
<p class="Jove_content"> Para tratar dessas questões, foi desenvolvido um paradigma comportamental romance utilizando três condições de aprendizagem dentro de uma sessão experimental em um único dia. Isto requer que o animal experimental é disposto para realizar centenas de ensaios em diferentes condições de uma programação fina de reforço. Pombos-correio (Columbia livia domestica forma) são organismos modelo clássicos em psicologia experimental 13-17. Estas aves são capazes de realizar discriminações visuais complexas 18, pode se adaptar com flexibilidade às mudanças de comportamento contingências de reforçamento 19,20, e são trabalhadores exclusivamente ávidos, realizando 1.000 ensaios com uma quantidade mínima de reforço. Estas características tornam especialmente adequado para as experiências descritas abaixo.Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo descreve uma tarefa comportamental complexa adequada para gravações a única unidade simultâneas. Descrevemos a tarefa SIFC para pombos, mas pode ser facilmente adaptado para roedores, exigindo puxões nariz ou a pressão da alavanca, em vez de chave bica, e substituindo visual olfativo, auditivo, ou estímulos tácteis.
Talvez os passos mais críticos durante o processo de formação são: 1) redução gradual da probabilidade de recompensa e 2) aumento no número de julga…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta pesquisa foi apoiada por doações da Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) a MCS (FOR 1581, STU 544/1-1) e OG (FOR 1581, SFB 874). O site da DFG é http://www.dfg.de/en/index.jsp. Os financiadores não tiveram nenhum papel no desenho do estudo, coleta de dados e análise, decisão de publicar ou preparação dos autores manuscript.The agradecer Thomas Seidenbecher por nos fornecer o protocolo sobre-regulamentação, bem como Tobias Otto para obter ajuda com a configuração do eletrofisiológico equipamento de gravação.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Resistance wire (for use as electrodes) | California Fine Wire, Grover Beach (CA), USA | Stablohm 675; formvar-coated nichrome wires (outer diameter 25 µm) | |
| Microconnectors | Ginder Scientific, Nepean, Ontario, Canada | GS18PLG-220 (plug) & GS18SKT-220 (socket to build headstage) | |
| Cannulae | Henke Sass Wolf, Tuttlingen, Germany | 0.4x20mm/ 27Gx3/4" | |
| Gold solution for plating | Neuralynx, Bozeman (MT), USA | SIFCO Process Gold Non-Cyanide, Code 5355 | |
| Solution for ultrasonic bath | Alconox, Inc., New York, USA | 1304 | Tergazyme |
| Conductive glue | Henkel Loctite | LOCTITE 3888 Silver filled, conductive, adhesive | |
| Stainless steel screws | J.I. Morris, Southbridge (MA), USA | F0CE125 self-tapping miniature screws, body length 1/8 inches | |
| Light-curing dental cement | van der Ven Dental, Duisburg, Germany | Omniceram Evo Flow A2 | |
| Light-curing unit | van der Ven Dental, Duisburg, Germany | Jovident Excelled 215 Curing Light (wireless LED light curing unit) | |
| Filter amplifiers | npi electronic GmbH, Germany | DPA-2FS | |
| A/D converter | Cambridge Electronic Design, Cambridge, UK | power 1401 | |
| Spike2 software | Cambridge Electronic Design, Cambridge, UK | Version 7.06a | |
| Matlab | The Mathworks, Natick (MA), USA | R2012a |
Riferimenti
- Bingman, V. P., Gasser, B. A., Colombo, M. Responses of pigeon (Columba livia) wulst neurons during acquisition and reversal of a visual discrimination task. Behav Neurosci. 122, 1139-1147 (2008).
- Herry, C., Ciocchi, S., Senn, V., Demmou, L., Müller, C., Lüthi, A. Switching on and off fear by distinct neuronal circuits. Nature. 454, 600-606 (2008).
- Quirk, G. J., Repa, C., LeDoux, J. E. Fear conditioning enhances short-latency auditory responses of lateral amygdala neurons: parallel recordings in the freely behaving rat. Neuron. 15, 1029-1039 (1995).
- Quirk, G. J., Armony, J. L., Ledoux, J. E. Components of Tone-Evoked Spike Trains in Auditory Cortex and Lateral Amygdala. Neuron. 19, 613-624 (1997).
- Maren, S. Auditory fear conditioning increases CS-elicited spike firing in lateral amygdala neurons even after extensive overtraining. Eur J Neurosci. 12, 4047-4054 (2000).
- Milad, M. R., Quirk, G. J. Neurons in medial prefrontal cortex signal memory for fear extinction. Nature. 420, 713-717 (2002).
- Hobin, J. A., Goosens, K. A., Maren, S. Context-dependent neuronal activity in the lateral amygdala represents fear memories after extinction. J Neurosci. 23, 8410-8416 (2003).
- Maren, S., Hobin, J. A. Hippocampal regulation of context-dependent neuronal activity in the lateral amygdala. Learn Mem. 14, 318-324 (2007).
- Knapska, E., et al. Differential involvement of the central amygdala in appetitive versus aversive learning. Learn Mem. 13, 192-200 (2006).
- Harloe, J. P., Thorpe, A. J., Lichtman, A. H. Differential endocannabinoid regulation of extinction in appetitive and aversive Barnes maze tasks. Learn Mem. 15, 806-809 (2008).
- Gray, C. M., Maldonado, P. E., Wilson, M., McNaughton, B. Tetrodes markedly improve the reliability and yield of multiple single-unit isolation from multi-unit recordings in cat striate cortex. J Neurosci Methods. 63, 43-54 (1995).
- Lewicki, M. S. A review of methods for spike sorting: the detection and classification of neural action potentials. Network. 9, (1998).
- Skinner, B. F. 34;Superstition" in the pigeon. J Exp Psychol. 121, 273-274 (1948).
- Herrnstein, R. J. Relative and absolute strength of response as a function of frequency of reinforcement. J Exp Anal Behav. 4, 267-272 (1961).
- Brown, P. L., Jenkins, H. M. Auto-shaping of the pigeon’s key-peck. J Exp Anal Behav. 11, 1-8 (1968).
- Epstein, R., Kirshnit, C. E., Lanza, R. P., Rubin, L. C. 34;Insight" in the pigeon: antecedents and determinants of an intelligent performance. Nature. 308, 61-62 (1984).
- Mazur, J. E. Varying initial-link and terminal-link durations in concurrent-chains schedules: a comparison of three models. Behav Processes. 66, 189-200 (2004).
- Herrnstein, R. J., Loveland, D. H. Complex visual concept in the pigeon. Science. 146, 549-551 (1964).
- Stüttgen, M. C., Yildiz, A., Güntürkün, O. Adaptive criterion setting in perceptual decision making. J Exp Anal Behav. 96, 155-176 (2011).
- Stüttgen, M. C., Kasties, N., Lengersdorf, D., Starosta, S., Güntürkün, O., Jäkel, F. Suboptimal criterion setting in a perceptual choice task with asymmetric reinforcement. Behav Processes. 96, 59-70 (2013).
- Rose, J., Otto, T., Dittrich, L. The Biopsychology-Toolbox: a free, open-source Matlab-toolbox for the control of behavioral experiments. J Neurosci Methods. 175, (2008).
- Bilkey, D. K., Muir, G. M. A low cost, high precision subminiature microdrive for extracellular unit recording in behaving animals. J Neurosci Methods. 92, 87-90 (1999).
- Bilkey, D. K., Russell, N., Colombo, M. A lightweight microdrive for single-unit recording in freely moving rats and pigeons. Methods. 30, 152-158 (2003).
- Gallistel, C. R., Gibbon, J. Time, rate, and conditioning. Psychol Rev. 107, 289-344 (1993).
- Starosta, S., Güntürkün, O., Stüttgen, M. C. Stimulus-response-outcome coding in the pigeon nidopallium caudolaterale. PLoS One. 8, (2013).
- McNaughton, B. L., O’Keefe, J., Barnes, C. A. The stereotrode: a new technique for simultaneous isolation of several single units in the central nervous system from multiple unit records. J Neurosci Methods. 8, 391-397 (1983).
- Hill, D. N., Mehta, S. B., Kleinfeld, D. Quality metrics to accompany spike sorting of extracellular signals. J Neurosci. 31, 8699-8705 (2011).
