הקלטת הפוטנציאלים הפעולה 'יחיד נוירונים מחופשיות העברת יונים על פני שלושה שלבים של למידה
Summary
למידת עמותות בתגובה לגירוי חדשות עוסקת במגוון רחב של תהליכים עצביים המשתקפים סופו של דבר בשינוי תפוקת ספייק של נוירונים בודדים. כאן אנו מתארים פרוטוקול התנהגותי מאפשר רישום הרציף של פעילות היחיד נוירון ואילו בעלי חיים לרכוש, לכבות, ולרכוש מחדש תגובה מותנית בהפעלה ניסיונית אחת.
Abstract
בעוד הנושא של למידה משך עניין עצום ממדענים הן התנהגותיות ועצביים, רק מעטים יחסית חוקרים הבחינו בפעילות היחיד נוירון ואילו בעלי החיים רוכשים תגובה מותנית operantly, או כאשר התגובה כי הוא כבה. אבל גם במקרים אלה, תקופות תצפית בדרך כלל להקיף שלב אחד בלבד של למידה, כלומר רכישה או הכחדה, אך לא את שניהם (החריגים כוללים פרוטוקולי העסקת למידת היפוך; לראות Bingman אח' 1 לירושלים.). עם זאת, רכישה והכחדה כרוכה במנגנונים למידה שונים ולכן הם צפויות להיות מלווה בסוגים ו / או לוקוסים של פלסטיות עצבית שונים.
בהתאם לכך, פיתחנו פרדיגמה התנהגותיות שמכונים שלושה שלבים של לימוד בישיבה התנהגותיות יחידה ושהוא גם מתאים להקלטה בו זמנית של פוטנציאל הפעולה בתאי העצב בודד. בעלי חייםמחדש מאומן במשימה בחירה כפויה יחיד מרווח אשר דורשת מיפוי כל אחת משתי תגובות אפשריות לבחירת ההצגה של גירויים שונים רומן חזותי (רכישה). לאחר שהגיע לקריטריון ביצועים מוגדר מראש, אחד משתי תגובות הבחירה הוא כבר לא מחוזק (הכחדה). בעקבות מפחית מסוים ברמת ביצועים, תשובות נכונות חזקו שוב (רכישה מחדש). באמצעות סט חדש של גירויים בכל פגישה, בעלי חיים יכולים לעבור את תהליך רכישת הכחדה-הרכישה מחדש שוב ושוב. כי כל שלושת השלבים של למידה מתרחשים בפגישה התנהגותיות יחידה, פרדיגמה היא אידיאלית לתצפית בו זמנית של פלט spiking של נוירונים בודדים מרובים. אנו משתמשים ביונים כמערכות מודל, אך המשימה יכולה בקלות להיות מותאמת לכל מין אחר מסוגל ללמוד אפליה מותנית.
Introduction
למידת עמותות בתגובה לגירוי-תוצאה חדשות עוסקת במגוון רחב של תהליכי פלסטיות עצביים. תהליכים אלה באים לידי הביטוי בסופו בפלט ספייק המשתנה של נוירונים בודדים. ניתן לטעון, אחת מפרדיגמות הלמידה המועסקות בתדירות הגבוהה ביותר הוא אוויר פחד הפבלובית שנערך עם מכרסמים. בהגדרה זו, הרכישה והכחדה של תגובה מותנית יתקיימו בתוך כמה עשרות ניסויים 2. ההתפתחות המהירה של פחד מותנה יכולה להיות יתרון, כי זה מאפשר הפעלת מספר רב של בעלי חיים בתוך זמן קצר. כמו כן, רכישה והכחדה ניתן לצפות בתוך כמה עשרות ניסויים ביום אחד בבעלי חיים תמימים 3,4 או התפשטו על פני 2 עד 3 ימים 2,5-8. עם זאת, התובנות שנרכשו על השינויים בפעילות עצבית במהלך הלמידה בניסויים אלה לא בהכרח יחולו מחוץ לתחום של מיזוג פחד. לדוגמא, התנהגות מכוונת מטרה מונעת על ידי חיובי חיזוק מופרז הוא מודל בצורה נכונה יותר על ידי אופרנטית ולא נהלי אוויר הפבלובית, ועשוי בחלק תלוי על מצעים עצביים שונים 9,10. כמו כן, מיזוג פחד מתפתח במהירות כה רב שתגובות עצביות לCS ניתן לצפות רק לכמה עשרות ניסויים, הצבת מגבלות חמורות על הניתוח של שינויים בפעילות עצבית במהלך למידה.
למרבה הצער, הרכישה והכחדה של אופרנטית להגיב בדרך כלל לוקח ימים רבים. זה מזיק לחקירות נוירופיזיולוגיות, כי זה קשה לשמצה כדי להקליט את הפעילות של תאים בודדים על פני יותר מכמה שעות. בשל הדמיון הגבוה של צורות הגל של פוטנציאל פעולה נרשם extracellularly, זה בעייתי לטעון שקוצים רשמו ביום אחד הם נוצרים מאותו התא כמו קוצים עם גל דומה נרשם ב11,12 הבא, במיוחד באזורים עם גבוה צפיפות תאים כגון ההיפוקמפוס.
<p class="Jove_content"> כדי לטפל בבעיות אלה, פיתחנו פרדיגמה התנהגותיות רומן ניצול 3 תנאי למידה בתוך מושב ניסיוני אחד ביום אחד. זה דורש שבעלי החיים הניסיוניים הוא מוכנים לבצע מאות ניסויים בתנאים משתנים בלוח זמנים דק של חיזוק. יוני דואר (domestica פורם ליוויה קולומביה) הם אורגניזמים מודל קלאסיים בפסיכולוגיה ניסויית 13-17. ציפורים אלו הן מסוגלים לבצע הבחנות חזותיות מורכבות 18, גמיש יכול להתאים את התנהגות למקרי חיזוק שינוי 19,20, והם עובדים באופן ייחודי נלהב, ביצוע 1,000 ניסויים עם כמות מינימאלית של חיזוק. תכונות אלו הופכות אותם מתאימות במיוחד לניסויים מתוארים להלן.Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מתאר משימה התנהגותיות מורכבת מתאימה להקלטות יחידה אחת בו זמנית. שתארנו את משימת SIFC ליונים, אבל זה יכול להתאים בקלות למכרסמים ידי דרישה תדחף את האף או מנקר מפתח מנוף לחיצה ולא, והחלפה חזותית על ידי חוש הריח, שמיעה, מישוש או גירויים.
<p class="jove_content" style=";text-align:…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי מענקים מקרן המחקר הגרמני (DFG) לMCS (ל1581, STU 544/1-1) ועוג (ל1581, SFB 874). האתר של DFG הוא http://www.dfg.de/en/index.jsp. היו הממנים שום תפקיד בעיצוב מחקר, איסוף נתונים וניתוח, החלטה לפרסם, או הכנה של המחברים manuscript.The תודה תומס סיידנבכר שספק לנו את פרוטוקול זהב ציפוי כמו גם טוביאס אוטו לעזרה עם הגדרת אלקטרו ציוד הקלטה.
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).
