Development of behavioral learning paradigms in mice using auditory cues for positive and negative reinforcement

Unsere Hirnstrukturen sind aeusserst dynamisch und weisen ein hohes Mass an Plastizitaet auf, um Lernen und die Anpassung unseres Verhaltens an eine sich staendig veraendernde Umwelt zu ermoeglichen. In den letzten Jahren wurden vor allem im Bereich der Neurowissenschaften essentielle Beweise dafuer erbracht, dass das Grundprinzip jeglicher Erinnerung ‚synaptische Plastizitaet‘ ist, welches Aktivitaets bedingte Veraenderungen in der Staerke von neuronalen Verbindungen darstellt. Bislang ist jedoch nicht bekannt auf welche Weise diese neuronalen Veraenderungen auf Netzwerkebene organisiert werden. Es ist daher nowtwendig, um Lernprozesse und die Herausbildung von Gedaechtnisinhalten moeglichst genau untersuchen zu koennen, eine angemessene Anzahl an genau definierten Verhaltensexperimenten zu entwickeln,. Zusaetzlich sollte es moeglich sein neuronale Veraenderung auf Lernprozesse an sich oder auf nicht-assoziative Vorgaenge zurueckfuehren zu koennen. Der erste Teil dieser Diplomarbeit beschreibt die Entwicklung von drei verschiedenenen Verhaltensexperimenten in welchen Maeuse spezifisch zu positiver bzw. negativer auditorischer Reizverstaerkung konditioniert wurden. (1) Die Spezifitaet und Variabilitaet erlernter Reizantworten und damit verbundener Gedaechtnisinhalte ist entscheidend von der Art und Weise des zur Untersuchung verwendeten Verhaltens abhaengig. Aus diesem Grund fuehrte ich eine klassische auditorische Angstkonditionierung in Maeusen durch und untersuchte anschliessend zwei unterschiedliche Arten von Angstverahlten, Erstarren (‚freezing‘) und die Unterdrueckung fortwaehrenden Verhaltens, im speziellen des Trinkverhaltens (‚lick suppression‘). Allgemein ist in Verhaltensexperimenten zu bereucksichtigen, dass Reizantworten sowohl durch den spezifisch konditionierten Reiz als auch durch nicht assoziative Aspekte der Konditionierung hervorgerufen werden koennen. Deshalb ist es notwendig die Spezifitaet jeglichen erlernten Verhaltens zu bestimmen. Zu diesem Zweck werden konditionierte Reizantworten mit Verhalten verglichen, das durch nicht konditionierte Reize ausgeloest wird. In meinen Experimenten konnte ich nach der Konditionionierung in allen Maeusen deutliches Angstverhalten feststellen. Allerdings war die Spezifitaet der Reizantworten entscheidend von dem zur Untersuchung herangezogenen Verhalten abhaengig. (2) Neuronale Plastizitaet wird entweder durch bestimmte Eigenschaften eines konditionierten Reizes oder durch die Art der verwendeten Reizverstaerkung hervorgerufen. Eine Moeglichkeit diese beiden Aspekte bestmoeglich unterscheiden zu koennen, ist die Konditionierung eines neutralen Reizes mit sowohl positiver als auch mit negativer Reizverstaerkung. Die Methode der operanten Konditionierung basiert ueblicherweise auf positiver Reizverstaerkung, und nimmt relativ viel Zeit in Anspruch, da neben einer einfachen Reiz-Belohnungs-Assoziation auch verschiedene Verhaltensregeln erlernt werden muessen. Im Gegensatz dazu ist die klassische Angstkonditionierung von vergleichsweise kurzer Dauer und eine robuste Reiz-Antwort kann bereits innerhalb weniger Minuten festgestellt werden. Dieser zeitliche Unterschied erschwert natuerlich den Vergleich von operanter und klassischer Konditionierung. Daher entwickelte ich, um die Dauer der operanten Konditionierung zu verkuerzen, ein Verhaltensexperiment, welches auf einer klassischen Mehrfach-Konditionierung zu einem ersten visuellen und einem zweiten auditorischen Reiz (‚second order conditioning‘) basierte. Die Trennung von prozeduralen und assoziativen Aspekten des Lernprozesses sollte eine beschleunigte Konditionierung zum zweiten auditorischen Reiz ermoeglichen. Ich konnte zeigen, dass alle untersuchten Mauese erfolgreich zu beiden Reizen konditioniert werden konnten. Allerdings, war nach einer einzigen Konditionierung zum auditorischen Reiz der Lernprozess noch nicht vollstaendig abgeschlossen. (3) Verhaltensexperimente sollten einerseits robust und rasch durchfuehrbar sein, andererseits jedoch auch das Erlernen spezifischer Gedaechtnisinhalte ermoeglichen. Daher entwickelte ich ein disckriminatives operantes Verhaltensexperiment (‚go/no go task‘), in welchem Maeuse spezifisch zu zwei komplexen Toenen konditioniert wurden, wobei jeweils nur ein Ton positiv verstaerkt wurde. Es konnten alle Mauese erfolgreich zu komplexen auditorischen Reizen konditioniert werden, jedoch war die Genauigkeit der Unterscheidung schwaecher als in aehnlichen, auf olfaktorischen Reizen basierenden Experimenten. Es ist daher anzunehmen, dass die Faehigkeit von Mauesen spezifische Reize zu unterscheiden betraechtlich von der jeweiligen sensorischen Modalitaet abhaengt. Milliarden von vernetzten Neuronen, welche den unterschiedlichsten Zellarten angehoeren, bewerkstelligen im Gehirn eines jeden Saeugetieres Lernen und Gedaechtnis und erfuellen somit die verschiedensten Funktionen. Um einen besseren Einblick in besagte Komplexitaet zu gewinnen und die zugrunde liegenden neuronalen Netzwerkmechanismen besser zu verstehen, waere es von Vorteil ein einziges Neuron mitsamt seiner praesynatpischen Verbindungen untersuchen zu koennen. Bislang ist es jedoch, neben den unterschiedlichsten Methoden zur Visualisierung von neuronalen Verbindungen, noch nicht moeglich selektiv ein einziges Neuron und spezifisch dessen praesynatpische Verbindungen zu untersuchen. Der zweite Teil dieser Diplomarbeit beschreibt die Entwicklung von Expressions Vektoren, welche die Expression zahlreicher Varianten eines Fusionsproteins zwischen Cre-Recombinase und des schweren Strangs des Tetanus Toxins ermoeglichen. Der zugrunde liegende Gedanke ist, die Vielseitigkeit und Flexibilitaet der Cre-Rekombinase mit den spezifischen retrograden Transporteigenschaften des Tetanus Toxins zu verbinden und somit spezifisch alle praesynaptischen Verbindungen eines einzigen Neurons bestimmen zu koennen. In naher Zukunft sollte die Anwendung eines solchen Fusionproteins in Verbindung mit Elektroporation eines einzelnen Neurons es ermoeglichen neuronale Netzwerkverbindungen in transgenen Maeusen zu untersuchen, welche eine Cre-Rekombinase bedingte Expression eines Reportergens aufweisen.Our brains are highly dynamic and plastic in structure in order to allow learning and adaption of behavior to a constantly changing environment. Recent years of research found substantial evidence that the substrate of memory is ‘synaptic plasticity’ which represents activity dependent changes in strength of neuronal network connections However, little is known about the organization of such neural changes on circuit and network level. Therefore, it is essential to establish a specific set of well defined behavioral learning paradigms that allow the sensitive measurement of memory and its specificity. Furthermore, it is important to be able to dissociate between learning-related neuronal plasticity and simply non-associative processes. The first part of this thesis describes the establishment of three behavioral learning paradigms in mice including positive and negative reinforcement of complex auditory stimuli. (1) The specificity and variability of the memory assessment depends crucially on particular properties of the behavior used as read out. Therefore, I tested auditory fear conditioning to complex sounds in mice using freezing and lick suppression as two alternative behavioral memory read outs. I find that after conditioning mice show robust fear responses for both behaviors. However, the specificity of the memory, as measured by the induction of fear behavior by stimuli that were not used for conditioned, is dependent on the behavioral assay. (2) A strategy to dissociate neuronal plasticity induced by the way a particular stimulus was reinforced from neuronal plasticity that is induced by particular conditioned stimuli itself is to compare learning paradigms involving either positive or negative reinforcement for the same stimulus. Typically, operant conditioning paradigms involving positive reinforcement are time consuming since they include learning of several procedural aspects of the task beyond the simple stimulus→reward association. This makes the comparison between operant and classical fear conditioning, which usually occurs within the order of minutes, difficult. Here, I established a learning paradigm based on classical second-order conditioning using visual and auditory stimuli as salient cues for reward. This allowed the temporal separation of procedural and associative aspects of learning thus accelerating operant conditioning. I find that in this learning paradigm mice reliably form the association of sound to reward and that initial, but not complete, learning occurs within the first conditioning session. (3) Beside the implementation of fast learning paradigms that allow sensitive measurement of memory it is also important to assess the specificity of the memory formation. I tested behavioral responses of mice specific to properties of conditioned sound stimuli through the establishment of an auditory operant go/no-go discrimination task in which one of two complex sounds was positively reinforced. I find that mice can be trained to discriminate between two complex sounds, however, the fraction of mice achieving high performance levels is low compared to similar olfactory learning paradigms. Therefore, it seems that discrimination of stimuli of different modalities might pose different challenging tasks for mice. In general, learning and memory is mediated in the mammalian brain through billions of neurons which are highly variable in cell type and function and interconnected in complex networks. A major step towards a better understanding of neuronal circuit computations would be the ability to map out all the input neurons to a given postsynaptic neuron. Despite considerable progress in labeling interconnected neurons, a system sensitive enough to selectively label input neurons of a single target neuron is still lacking. The second part of this thesis describes the design and construction of expression vectors that allow the expression of variants of a fusion protein of the tetanus toxin heavy chain and Cre-recombinase. The idea is to take advantage of the sensitivity and versatility of Cre-recombinase and the selective transsynaptic transport of tetanus toxin for specific identification of input neurons. In the future, these constructs will hopefully allow identification of synaptically coupled neurons after electroporation of single neurons in a transgenic mouse allowing conditional expression of a fluorescent protein depending on Cre mediated recombination

Integration of grid maps in merged environments

Natural environments are represented by local maps of grid cells and place cells that are stitched together. The manner by which transitions between map fragments are generated is unknown. We recorded grid cells while rats were trained in two rectangular compartments, A and B (each 1 m \uc3\u97 2 m), separated by a wall. Once distinct grid maps were established in each environment, we removed the partition and allowed the rat to explore the merged environment (2 m \uc3\u97 2 m). The grid patterns were largely retained along the distal walls of the box. Nearer the former partition line, individual grid fields changed location, resulting almost immediately in local spatial periodicity and continuity between the two original maps. Grid cells belonging to the same grid module retained phase relationships during the transformation. Thus, when environments are merged, grid fields reorganize rapidly to establish spatial periodicity in the area where the environments meet