Inspelning enstaka nervceller 'Action Potentials från fritt rörliga Duvor Över tre stadier av lärande
Summary
Att lära sig nya stimulus-responsassociationer ingriper med ett brett spektrum av neurala processer vilka slutligen reflekteras förändra spik utmatning av individuella nervceller. Här beskriver vi en beteende protokoll som gör det möjligt för kontinuerlig registrering av en enda neuron aktivitet medan djur förvärva, släcka, och återförvärva en betingad respons inom en enda försökssession.
Abstract
Även frågan om lärande har rönt stort intresse från både beteende-och neurala forskare har endast relativt få utredare observerade enda neuron aktivitet medan djuren förvärvar en operantly betingad respons, eller när detta svar är släckt. Men även i dessa fall, observationsperioder omfattar oftast bara ett enda steg i lärandet, dvs förvärv eller utdöende, men inte båda (undantag inkluderar protokoll använder återföring lärande, se et al Bingman 1 för ett exempel.). Men förvärv och utrotning medföra olika mekanismer lärande och förväntas därför åtföljas av olika slag och / eller loci av neural plasticitet.
Därför utvecklade vi en beteendevetenskaplig paradigm som institut tre stadier av lärande i ett enda beteende session och som är väl lämpad för samtidig inspelning av enstaka nervceller "aktionspotentialer. Djur enre utbildade på ett enda intervall forcerad val uppgift som kräver mappning vardera av två möjliga val svar på presentationen av olika nya visuella stimuli (förvärv). Efter att ha nått en fördefinierad prestationskravet, en av de två val svaren inte längre förstärkt (utrotning). Efter en viss minskning i prestanda, är korrekta svar förstärkta igen (återförvärv). Genom att använda en ny uppsättning av stimuli i varje session, kan djuren genomgå förvärvet-utrotning-återförvärv processen flera gånger. Eftersom alla tre studieetapper inträffa i en enda beteende session är ett paradigm idealisk för samtidig observation av den tillsatta utmatningen från multipla enstaka neuroner. Vi använder duvor som modellsystem, men uppgiften kan lätt anpassas till andra arter som kan lära rade diskriminering.
Introduction
Att lära sig nya stimulus-respons-utfall föreningar engagerar ett stort antal neurala plasticitet processer. Dessa processer är i slutändan återspeglas i den föränderliga spik produktionen av enskilda nervceller. Förmodligen en av de mest sysselsatt lärande paradigm är Pavlovsk rädsla Conditioning genomföras med gnagare. I denna inställning, förvärv och utrotning av en betingad respons ske inom några tiotal försök 2. Den snabba utvecklingen av kondition rädsla kan vara en fördel eftersom det gör att köra ett stort antal djur inom en kort tid. Dessutom kan observeras förvärv och utrotning inom några tiotals försök på en enda dag i naiva djur 3,4 eller spridda över 2 till 3 dagar 2,5-8. Men de insikter om de förändringar av neural aktivitet under inlärning i dessa experiment inte nödvändigtvis gälla utanför domänen av rädsla konditionering. Till exempel, målinriktat beteende drivs av positiontiva förstärkning är mer adekvat sätt modelleras genom operant istället Pavlovian rutiner konditionering, och kan delvis bero på olika neurala substrat 9,10. Dessutom utvecklar rädsla konditionering så snabbt att neurala svar på CS bara kan observeras för några dussin försök att placera stränga gränser för analys av förändringar av neural aktivitet under inlärning.
Tyvärr tar förvärv och utrotning av operant svarar oftast flera dagar. Detta är till skada för neurofysiologiska undersökningar, eftersom det är notoriskt svårt att registrera aktiviteten av enskilda celler under mer än ett par timmar. På grund av den höga likheten mellan vågformer av extracellulärt inspelade aktionspotentialer, är det problematiskt att hävda att spikar som spelats in på en dag genereras från samma cell som spikar med liknande vågformer som spelats in på nästa 11,12, särskilt i områden med en hög celltäthet, såsom hippocampus.
<p class="Jove_content"> För att hantera dessa frågor, har vi utvecklat ett nytt beteende paradigm utnyttjar tre inlärningsförhållanden inom en försökssession på en enda dag. Detta kräver att försöksdjuret är villig att utföra hundratals studier under varierande förhållanden på en tunn schema för förstärkning. Brevduvor (Columbia livia forma domestica) är klassiska modellorganismer i experimentell psykologi 13-17. Dessa fåglar har möjlighet att utföra komplexa visuella diskriminering 18, kan flexibelt anpassa beteendet till förändrade armeringsutsedda 19,20, och är unikt ivrig arbetare, som utför 1.000 försök med minimal mängd av förstärkning. Dessa egenskaper gör dem särskilt lämpliga för de experiment som beskrivs nedan.Protocol
Representative Results
Discussion
Detta protokoll beskriver ett komplext beteende uppgiften lämplig för samtidiga enda enhet inspelningar. Vi har beskrivit SIFC uppgift för duvor, men det kan enkelt anpassas till gnagare genom att kräva näsa petar eller spak trycka istället nyckel hackar, och ersätta visuellt genom lukt, hörsel, eller taktila stimuli.
Kanske de mest kritiska stegen under utbildningsförfarandet är 1) gradvis minskning av belöning sannolikhet och 2) ökning av provnummer. Beträffande intermittent f…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning har finansierats med bidrag från den tyska Research Foundation (DFG) till MCS (FÖR 1581, STU 544/1-1) och OG (FOR 1581, SFB 874). Webbplatsen för DFG är http://www.dfg.de/en/index.jsp. Finansiärerna hade ingen roll i studiedesign, datainsamling och analys, beslut att publicera, eller beredning av manuscript.The Författarna tackar Thomas Seidenbecher för att förse oss med förgyllning protokoll samt Tobias Otto för att få hjälp med att inrätta den elektrofysiologiska färdskrivare.
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).
