Opnemen Single Neuronen 'actiepotentialen van vrij bewegende Duiven over drie stadia van het leerproces
Summary
Het leren van nieuwe stimulus-respons associaties aangrijpt diverse neurale processen die uiteindelijk terug in veranderen piek aan afzonderlijke neuronen. Hier beschrijven we een gedrags-protocol waardoor de continue registratie van de single-neuron activiteit terwijl dieren verwerven, doven, en opnieuw op te pakken een geconditioneerde respons binnen een enkele experimentele sessie.
Abstract
Hoewel het onderwerp van leren heeft aangetrokken enorme belangstelling van zowel gedrags-als neurale wetenschappers zijn slechts relatief weinig onderzoekers single-neuron activiteit waargenomen terwijl dieren worden een operantly geconditioneerde respons verwerven, of wanneer die reactie wordt gedoofd. Maar zelfs in deze gevallen, observatie periodes meestal omvatten slechts een enkele fase van het leren, dat wil zeggen verwerving of uitsterven, maar niet beide (uitzonderingen zijn onder andere protocollen gebruik omkering leren; zie Bingman et al. 1 voor een voorbeeld.). Echter, acquisitie en extinctie meebrengen verschillende leer-mechanismen en wordt daarom verwacht dat gepaard gaan met verschillende soorten en / of loci van neurale plasticiteit.
Daarom hebben we een gedragsmatige paradigma dat instituten drie fasen van leren in een gedragsmodel sessie en die goed geschikt is voor het gelijktijdig opnemen van afzonderlijke neuronen actiepotentialen. Dieren eenre getraind op een single-interval gedwongen keuze taak die in kaart brengen elk van de twee mogelijke keuze antwoorden op de presentatie van de verschillende nieuwe visuele stimuli (acquisitie) vereist. Na een vooraf prestatiecriterium, een van de twee reacties keuze heeft bereikt niet meer wordt versterkt (extinctie). Na een bepaalde decrement in prestatieniveau, worden correcte antwoorden opnieuw versterkt (herovering). Door het gebruik van een nieuwe reeks van prikkels in elke sessie kunnen dieren de overname-extinctie-herovering proces herhaaldelijk ondergaan. Omdat alle drie fasen van het leren optreden in een gedragsmodel sessie, het paradigma is ideaal voor de gelijktijdige waarneming van de spiking output van meerdere enkelvoudige neuronen. Wij gebruiken duiven modelsystemen, maar de taak kan gemakkelijk worden aangepast aan andere soorten kan geconditioneerd leren discriminatie.
Introduction
Het leren van nieuwe stimulus-respons-resultaat verenigingen grijpt aan op een breed scala van neurale plasticiteit processen. Deze processen worden uiteindelijk weerspiegeld in de veranderende piek aan afzonderlijke neuronen. Ongetwijfeld een van de meest gebruikte leren paradigma is Pavlov vreesconditionering uitgevoerd met knaagdieren. In deze instelling, de acquisitie en extinctie van een geconditioneerde respons plaatsvinden binnen een paar dozijn studies 2. De snelle ontwikkeling van geconditioneerde vrees kan voordelig zijn omdat het kan draaien van een groot aantal dieren in korte tijd. Ook acquisitie en extinctie kan binnen enkele tientallen proeven met dezelfde dag geobserveerd bij naïeve dieren 3,4 of verdeeld over 2 tot 3 dagen 2,5-8. Echter, de inzichten over de veranderingen van neurale activiteit tijdens het leren in deze experimenten niet per se buiten het domein van angst conditionering van toepassing. Bijvoorbeeld, doelgericht gedrag gedreven door positieve versterking is meer adequaat gemodelleerd door operante plaats van Pavlov-conditionering procedures, en kunnen voor een deel afhangen van verschillende neurale substraten 9,10. Ook angst conditionering ontwikkelt zich zo snel dat neurale reacties op de CS alleen kan worden waargenomen voor enkele tientallen proeven, het plaatsen van zware beperkingen op de analyse van veranderingen van neurale activiteit tijdens het leren.
Helaas, de acquisitie en extinctie van operante reageren meestal duurt vele dagen. Dit is nadelig voor neurofysiologische onderzoeken, omdat het erg moeilijk om de activiteit van afzonderlijke cellen meer dan een paar uur opnemen. Vanwege de grote gelijkenis van de golfvormen van extracellulair opgenomen actiepotentialen is problematisch stellen dat pieken die op een dag worden gegenereerd uit dezelfde cel als spikes met gelijke golfvormen die op de volgende 11,12, vooral in gebieden met een hoge celdichtheid zoals de hippocampus.
<p class="Jove_content"> Om deze problemen aan te pakken, hebben we een nieuwe gedrags-paradigma gebruik te maken van 3 leeromstandigheden binnen een experimentele sessie op een enkele dag. Dit vereist dat het proefdier is bereid om honderden proeven uitvoeren onder wisselende omstandigheden op een dunne schema van de wapening. Postduiven (Columbia livia forma domestica) zijn klassiek model organismen in de experimentele psychologie 13-17. Deze vogels zijn in staat om complexe visuele discriminatie 18 uit te voeren, kan flexibel gedrag aanpassen aan veranderende versterking onvoorziene 19,20, en zijn uniek enthousiaste werknemers, het uitvoeren van 1000 proeven met een minimale hoeveelheid wapening. Deze eigenschappen maken ze bijzonder geschikt voor de hieronder beschreven experimenten.Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol beschrijft een complexe gedrags-taak geschikt voor gelijktijdige single-unit registraties. We hebben de SIFC taak beschreven voor duiven, maar het kan gemakkelijk worden aangepast aan knaagdieren door te eisen neus porren of hendel te drukken in plaats van het toetsenbord pikt, en te vervangen door visuele door olfactorische, auditieve of tactiele stimuli.
Misschien wel de meest kritische stappen tijdens de training procedure zijn: 1) geleidelijke vermindering van de beloning wa…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd ondersteund door subsidies van de Duitse Research Foundation (DFG) naar MCS (VOOR 1581, STU 544/1-1) en OG (VOOR 1581, SFB 874). De website van de DFG is http://www.dfg.de/en/index.jsp. De financiers hadden geen rol in onderzoeksopzet, gegevensverzameling en-analyse, besluit tot publicatie, of de bereiding van de manuscript.The auteurs danken Thomas Seidenbecher voor ons met de gold-plating protocol evenals Tobias Otto voor hulp bij het opzetten van de elektrofysiologische opname-apparatuur.
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).
