Vi har utviklet en enkelt plattform for å spore dyreatferd under to klatrefiberavhengige assosiative læringsoppgaver. Den rimelige designen gjør det mulig å integrere med optogenetiske eksperimenter eller bildebehandlingseksperimenter rettet mot klatring av fiberrelatert cerebellaraktivitet.
Klatrefiberinnganger til Purkinje-celler gir lærerike signaler som er kritiske for cerebellumavhengig assosiativ læring. Å studere disse signalene i hodefaste mus letter bruken av avbildning, elektrofysiologiske og optogenetiske metoder. Her ble det utviklet en rimelig atferdsplattform (~ $ 1000) som tillater sporing av assosiativ læring i hodefaste mus som locomote fritt på et løpehjul. Plattformen inneholder to vanlige assosiative læringsparadigmer: eyeblink condition og forsinket taktil startle condition. Atferd spores ved hjelp av et kamera og hjulbevegelsen av en detektor. Vi beskriver komponentene og oppsettet og gir en detaljert protokoll for opplæring og dataanalyse. Denne plattformen tillater inkorporering av optogenetisk stimulering og fluorescensavbildning. Designet gjør det mulig for en enkelt vertsdatamaskin å kontrollere flere plattformer for trening av flere dyr samtidig.
Pavlovian conditioning av sub-second assosiasjon mellom stimuli for å fremkalle en betinget respons har lenge vært brukt til å sondere cerebellar-avhengig læring. For eksempel, i klassisk forsinkelse eyeblink condition (DEC), lærer dyr å gjøre en velbetimet beskyttende blink som svar på en nøytral betinget stimulus (CS, for eksempel et glimt av lys eller auditiv tone) når den parres gjentatte ganger med en ubetinget stimulus (US; f.eks. en puff av luft påført hornhinnen) som alltid fremkaller en refleksblink, og som kommer på eller nær slutten av CS. Det lærde svaret kalles en betinget respons (CR), mens refleksresponsen kalles ubetinget respons (UR). Hos kaniner forstyrrer cerebellum-spesifikke lesjoner denne læringsformen 1,2,3,4. Videre gir Purkinje cellekompleks pigger, drevet av deres klatrefiberinnganger5, et nødvendig 6,7 og tilstrekkelig 8,9 signal for oppkjøp av riktig tidsbetimede CRs.
Mer nylig har klatring fiberavhengige assosiative læringsparadigmer blitt utviklet for hodefaste mus. DEC var det første assosiative læringsparadigmet som ble tilpasset denne konfigurasjonen10,11. DEC i hodefaste mus har blitt brukt til å identifisere cerebellar regioner 11,12,13,14,15,16,17 og kretselementer 11,1 2,13,14,15,18,19 som kreves for oppgaveanskaffelse og utryddelse. Denne tilnærmingen har også blitt brukt til å demonstrere hvordan den fysiologiske representasjonen av oppgaveparametere på cellenivå utvikler seg med læring 13,15,16.
I tillegg til eyeblink ble det forsinkede taktile kondisjoneringsparadigmet (DTSC) nylig utviklet som en ny assosiativ læringsoppgave for hodefaste mus20. Konseptuelt lik DEC, innebærer DTSC presentasjonen av en nøytral CS med en USA, et trykk i ansiktet tilstrekkelig i intensitet til å engasjere en startle refleks21,22 som UR. I DTSC-paradigmet leses både UR og CR ut som baklengs bevegelse på et hjul. DTSC har nå blitt brukt til å avdekke hvordan assosiativ læring endrer cerebellar aktivitet og mønstre av genuttrykk20.
I dette arbeidet ble det utviklet en metode for fleksibel bruk av DEC eller DTSC i en enkelt plattform. Stimulus- og plattformattributtene er skjematisert i figur 1. Designet inkorporerer kapasiteten til å spore dyreatferd med et kamera, samt en roterende koder for å spore muselokomotion på et hjul. Alle aspekter av datalogging og prøvestruktur styres av parrede mikrokontrollere (Arduino) og en enkeltkorts datamaskin (SBC; Bringebær Pi). Disse enhetene kan nås via et gitt grafisk brukergrensesnitt. Her presenterer vi en arbeidsflyt for oppsett, eksperimentforberedelse og utførelse, og en tilpasset analysepipeline for datavisualisering.
Plattformen med tilhørende protokoller skissert her kan brukes til pålitelig å spore dyreatferd i to sensoriske assosiative læringsoppgaver. Hver oppgave avhenger av intakt kommunikasjon gjennom klatrefiberbanen. I designet som er beskrevet her, inkorporerer vi elementer for å lette læring og opptak / perturbasjon av cerebellar respons. Disse inkluderer et hjul for å tillate gratis bevegelse11,18 samt hodefiksering. Hjulet gjør det mulig for musepersoner …
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet støttes av tilskudd fra National Institutes of Mental Health NRSA F32 MH120887-03 (til G.J.B.) og R01 NS045193 og R01 MH115750 (til S.S-H.W.). Vi takker Dr. Bas Koekkoek og Henk-Jan Boele for nyttige diskusjoner for å optimalisere DEC-oppsettet og Drs. Yue Wang og Xiaoying Chen for nyttige diskusjoner for optimalisering av DTSC-oppsettet.
"B" Quick Base For C&B METABOND – 10 mL bottle | Parkell | S398 | Dental cement solvent |
"C" Universal TBB Catalyst – 0.7 mL | Parkell | S371 | Catalyst |
#8 Washers | Thorlabs | W8S038 | Washers |
0.250" (1/4") x 8.00" Stainless Steel Precision Shafting | Servocity | 634172 | 1/4" shaft |
0.250” (0.770") Clamping Hub | Servocity | 545588 | Clamping hub |
1/4" to 6 mm Set Screw Shaft Coupler- 5 pack | Actobotics | 625106 | Shaft-coupling sleeve |
1/4"-20 Cap Screws, 3/4" Long | Thorlabs | SH25S075 | 1/4" bolt |
100 pcs 5 mm 395–400 nm UV Ultraviolet LED Light Emitting Diode Clear Round Lens 29 mm Long Lead (DC 3V) LEDs Lights +100 pcs Resistors | EDGELEC | ED_YT05_U_100Pcs | CS LEDs |
2 m Micro HDMI to DVI-D Cable – M/M – 2 m Micro HDMI to DVI Cable – 19 pin HDMI (D) Male to DVI-D Male – 1920 x 1200 Video | Star-tech | HDDDVIMM2M | Raspberry Pi4B to monitor cable |
256 GB Ultra Fit USB 3.1 Flash Drive | SanDisk | SDCZ430-256G-G46 | USB thumb drive |
3.3 V–5 V 4 Channels Logic Level Converter Bi-Directional Shifter Module | Amazon | B00ZC6B8VM | Logic level shifter |
32 GB 95 MB/s (U1) microSDHC EVO Select Memory Card | Samsung | MB-ME32GA/AM | microSD card |
4.50" Aluminum Channel | Servocity | 585444 | 4.5" aluminum channel |
48-LED CCTV Ir Infrared Night Vision Illuminator | Towallmark | SODIAL | Infrared light array |
4PCS Breadboards Kit Include 2PCS 830 Point 2PCS 400 Point Solderless Breadboards for Proto Shield Distribution Connecting Blocks | REXQualis | B07DL13RZH | Breadboard |
5 Port Gigabit Unmanaged Ethernet Network Switch | TP-Link | TL-SG105 | Ethernet switch |
5 V 2.5 A Raspberry Pi 3 B+ Power Supply/Adapter | Canakit | DCAR-RSP-2A5 | Power supply for Raspberry Pi 3B+ |
5-0 ETHILON BLACK 1 x 18" C-3 | Ethicon | 668G | Sutures |
6 mm Shaft Encoder 2000 PPR Pushpull Line Driver Universal Output Line Driver Output 5-26 V dc Supply | Calt | B01EWER68I | Rotary encoder |
Ø1/2" Optical Post, SS, 8-32 Setscrew, 1/4"-20 Tap, L = 1", 5 Pack | Thorlabs | TR1-P5 | Optical posts |
Ø1/2" Optical Post, SS, 8-32 Setscrew, 1/4"-20 Tap, L = 2", 5 Pack | Thorlabs | TR2-P5 | Optical posts |
Ø1/2" Optical Post, SS, 8-32 Setscrew, 1/4"-20 Tap, L = 4", 5 Pack | Thorlabs | TR4-P5 | Optical posts |
Ø1/2" Optical Post, SS, 8-32 Setscrew, 1/4"-20 Tap, L = 6", 5 Pack | Thorlabs | TR6-P5 | Optical posts |
Ø1/2" Post Holder, Spring-Loaded Hex-Locking Thumbscrew, L = 2" | Thorlabs | PH2 | Optical post holder |
Adapter-062-M X LUER LOCK-F | The Lee Co. | TMRA3201950Z | Solenoid valve luer adapter |
Aeromat Foam Roller Size: 36" Length | Aeromat | B002H3CMUE | Foam roller |
Aluminum Breadboard 10" x 12" x 1/2", 1/4"-20 Taps | Thorlabs | MB1012 | Aluminum breadboard |
Amazon Basics HDMI to DVI Adapter Cable, Black, 6 Feet, 1-Pack | Amazon | HL-007347 | Raspberry Pi3B+ to monitor cable |
Arduino Uno R3 | Arduino | A000066 | Arduino Uno (microcontroller board) |
Arduino Due | Arduino | A000062 | Arduino Due (microcontroller board) |
Bench Power Supply, Single, Adjustable, 3 Output, 0 V, 24 V, 0 A, 2 A | Tenma | 72-8335A | Power supply |
Clear Scratch- and UV-Resistant Cast Acrylic Sheet, 12" x 24" x 1/8" | McMaster Carr | 8560K257 | Acrylic sheet |
CNC Stepper Motor Driver 1.0–4.2 A 20–50 V DC 1/128 Micro-Step Resolutions for Nema 17 and 23 Stepper Motor | Stepper Online | B06Y5VPSFN | Stepper motor driver |
Compact Compressed Air Regulator, Inline Relieving, Brass Housing, 1/4 NPT | McMaster Carr | 6763K13 | Air source regulator |
Cotton Swab | Puritan | 806-WC | Cotton swab |
Dell 1908FP 19" Flat Panel Monitor – 1908FPC | Dell | 1908FPC | Computer monitor |
Flex Cable for Raspberry Pi Camera | Adafruit | 2144 | camera serial interface cable |
High Torque Nema 17 Bipolar Stepper Motor 92 oz·in/65 N·cm 2.1 A Extruder Motor | Stepper Online | 17HS24-2104S | Stepper motor |
Isoflurane | Henry Schein | 66794001725 | Isoflurane |
Krazy Maximum Bond Permanent Glue, 0.18 oz. | Krazy Glue | KG483 | Cyanoacrylate glue |
Lidocaine HCl | VetOne | 510212 | Lidocaine |
Low-Strength Steel Hex Nut, Grade 2, Zinc-Plated, 1/4"-20 Thread Size | McMaster Carr | 90473A029 | Nuts |
M3 x 50 mm Partially Threaded Hex Key Socket Cap Head Screws 10 pcs | Uxcell | A16040100ux1380 | M3 bolt |
NEMA 17 Stepper Motor Mount | ACTOBOTICS | 555152 | Stepper motor mount |
Official Raspberry Pi Power Supply 5.1 V 3 A with USB C – 1.5 m long | Adafruit | 4298 | Power supply for Raspberry Pi 4B |
Optixcare Dog & Cat Eye Lube Lubricating Gel, 0.70-oz tube | Optixcare | 142422 | Opthalimic ointment |
Precision Stainless Steel Ball Bearing, Shielded, Trade No. R188-2Z, 13000 rpm Maximum Speed | McMaster-Carr | 3759T57 | Bearing |
Premium Female/Female Jumper Wires – 40 x 6" | Adafruit | 266 | Wires |
Premium Female/Male 'Extension' Jumper Wires – 40 x 6" (150 mm) | Adafruit | 826 | Wires |
Premium Male/Male Jumper Wires – 40 x 6" | Adafruit | 758 | Wires |
Radiopaque L-Powder for C&B METABOND – 5 g | Parkell | S396 | Dental cement powder |
Raspberry Pi (3B+ or 4B) | Adafruit | 3775 or 4295 | Raspberry Pi |
Raspberry Pi NoIR Camera Module V2 – 8MP 1080P30 | Raspberry Pi Foundation | RPI3-NOIR-V2 | Raspberry NoIR V2 camera |
Right-Angle Bracket, 1/4" (M6) Counterbored Slot, 8-32 Taps | Thorlabs | AB90E | Right-angle bracket |
Right-Angle Clamp for Ø1/2" Posts, 3/16" Hex | Thorlabs | RA90 | Right-angle optical post clamp |
Right-Angle End Clamp for Ø1/2" Posts, 1/4"-20 Stud and 3/16" Hex | Thorlabs | RA180 | Right-angle end clamp |
RJ45 Cat-6 Ethernet Patch Internet Cable | Amazon | CAT6-7FT-5P-BLUE | Ethernet cable |
Rotating Clamp for Ø1/2" Posts, 360° Continuously Adjustable, 3/16" Hex | Thorlabs | SWC | Rotating optical post clamps |
Spike & Hold Driver-0.1 TO 5 MS | The Lee Co. | IECX0501350A | Solenoid valve driver |
Swivel Base Adapter | Thorlabs | UPHA | Post holder adapter |
USB 2.0 A-Male to Micro B Cable, 6 feet | Amazon | 7T9MV4 | USB2 type A to USB2 micro cable |
USB 2.0 Printer Cable – A-Male to B-Male, 6 Feet (1.8 m) | Amazon | B072L34SZS | USB2 type B to USB2 type A cable |
VHS-M/SP-12 V | The Lee Co. | INKX0514900A | Solenoid valve |
Zinc-Plated Steel 1/4" washer, OD 1.000" | McMaster Carr | 91090A108 | Washers |