Optagelse Single Neurons 'virkningspotentialer fra Frit Moving Duer Across tre stadier af læring
Summary
Lære nye stimulus-respons foreninger indgreb med en bred vifte af neurale processer, der i sidste ende afspejles i skiftende spike produktion af individuelle neuroner. Her beskriver vi en adfærdsmæssig protokol giver mulighed for løbende registrering af enkelt neuron aktivitet, mens dyr erhverve, slukke, og generhverve en betinget svar inden for en enkelt eksperimentel session.
Abstract
Mens emnet læring har tiltrukket stor interesse fra både adfærdsmæssige og neurale videnskabsfolk har kun relativt få efterforskere observeret enkelt neuron aktivitet, mens dyrene henter et operantly betinget reaktion, eller når dette svar er slukket. Men selv i disse tilfælde, observationsperioder normalt omfatter kun en enkelt etape af læring, dvs erhvervelse eller udslettelse, men ikke begge (undtagelser omfatter protokoller beskæftiger tilbageførsel læring se Bingman m.fl. 1 for et eksempel.). Men køb og udslettelse medføre forskellige mekanismer læring og forventes derfor at være ledsaget af forskellige typer og / eller loci af neural plasticitet.
Derfor har vi udviklet en adfærdsmæssig paradigme, som institutter tre stadier af læring i en enkelt adfærdsmæssige session og som er velegnet til samtidig optagelse af enkelte neuroner 'handling potentialer. Dyr enre uddannet på et enkelt interval tvunget valg opgave, som kræver kortlægning hver af to mulige valg reaktioner på præsentationen af forskellige nye visuelle stimuli (køb). Efter at have nået en forudbestemt ydelse kriterium, en af de to choice svarmuligheder ikke længere styrkes (ekstinktion). Efter en vis formindskelse i præstationsniveau, er korrekte svar forstærket igen (generhvervelse). Ved hjælp af et nyt sæt af stimuli i hver session, kan dyrene gennemgå købet-udslettelse-generhvervelse proces flere gange. Da alle tre stadier af læring sker i en enkelt adfærdsmæssige session paradigmet er ideel til den samtidige observation af spiking output af flere enlige neuroner. Vi bruger duer som modelsystemer, men opgaven kan nemt tilpasses til andre arter er i stand til betinget indlæring diskrimination.
Introduction
Lære nye stimulus-respons-outcome foreninger engagerer en bred vifte af neurale plasticitet processer. Disse processer er afspejles i sidste ende skiftende spike produktion af individuelle neuroner. Velsagtens en af de hyppigst anvendte læring paradigmer er pavlovsk frygt condition udført med gnavere. I denne indstilling, køb og udryddelse af en betinget reaktion finde sted inden for et par dusin forsøg 2. Den hurtige udvikling af konditioneret frygt kan være fordelagtigt, fordi det giver mulighed for at køre et stort antal dyr inden for en kort tid. Også, kan observeres erhvervelse og udslettelse inden for et par snese forsøg med en enkelt dag i naive dyr 3,4 eller spredt over 2 til 3 dage 2,5-8. Imidlertid fik indsigt om ændringerne af neural aktivitet under læring i disse eksperimenter ikke nødvendigvis gælder uden for området af frygt condition. For eksempel målrettet adfærd drevet af positivetive forstærkning mere fyldestgørende modelleret af operant snarere end Pavlovs condition procedurer, og kan til dels afhænge af forskellige neurale substrater 9,10. Også frygt condition udvikler sig så hurtigt, at neurale reaktioner på CS kun kan observeres i et par dusin forsøg placere alvorlige grænser for analysen af ændringer i neural aktivitet under indlæring.
Desværre, erhvervelse og udslettelse af operant reagerer normalt tager mange dage. Dette er skadeligt for neurofysiologiske undersøgelser, fordi det er notorisk vanskeligt at optage aktiviteten af enkelte celler i mere end nogle få timer. Grund af den høje lighed mellem de bølgeformer af ekstracellulært indspillede virkningspotentialer, er det problematisk at hævde, at spikes er optaget på én dag er genereret ud fra den samme celle som spikes med lignende kurver optaget på den næste 11,12, især i områder med høj celletæthed såsom hippocampus.
<p class="Jove_content"> For at løse disse problemer, vi udviklet en ny adfærdsmæssige paradigme udnytte 3 læringsbetingelserne inden for en eksperimentel session på en enkelt dag. Dette kræver, at forsøgsdyret er villig til at udføre hundredvis af forsøg under forskellige forhold på en tynd tidsplan for forstærkning. Brevduer (Columbia livia forma domestica) er klassiske modelorganismer i eksperimentel psykologi 13-17. Disse fugle er i stand til at udføre komplekse visuelle forskelsbehandling 18, kan fleksibelt tilpasse adfærd til skiftende forstærkning uforudsete 19,20, og er entydigt ivrig arbejdstagere, der udfører 1.000 forsøg med minimal mængde af armering. Disse egenskaber gør dem særligt egnede til de nedenfor beskrevne forsøg.Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokol beskriver en kompleks adfærdsmæssig opgave er egnet til samtidige single-unit optagelser. Vi har beskrevet SIFC opgave for duer, men det kan nemt tilpasses til gnavere ved at kræve næse stikker eller løftestang trykke snarere end centrale Tønde, og erstatte visuel af olfaktoriske, auditive eller taktile stimuli.
Måske den mest kritiske trin under proceduren uddannelse er 1) gradvis reduktion af belønning sandsynlighed og 2) stigning i forsøg nummer. Med hensyn til int…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev støttet af tilskud fra den tyske Research Foundation (DFG) til MCS (FOR 1581 STU 544/1-1) og OL (FOR 1581 SFB 874). Hjemmesiden for DFG er http://www.dfg.de/en/index.jsp. De finansieringskilderne havde ingen rolle i studie design, dataindsamling og-analyse, beslutning om at offentliggøre, eller forberedelse af manuscript.The Forfatterne takker Thomas Seidenbecher til at forsyne os med guldbelægning protokol samt Tobias Otto hjælp til opsætning af elektrofysiologiske kontrolapparatet.
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 |
References
- 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).
