جنبا إلى جنب المكوك بوكس ​​التدريب مع الكهربية اللحاء تسجيل وتحفيز كأداة لدراسة الإدراك والتعلم

الهدف العام من التجربة التالية هو تقييم وتوجيه الفعل الكتلي العصبي والديناميكيات العصبية أثناء التعلم. ويتحقق ذلك أولاً من خلال زرع مصفوفات أقطاب كهربائية متعددة تسمح بالتحفيز والتسجيل المتزامن للنشاط العصبي في مواقع محددة داخل القشرة السمعية. وكخطوة ثانية، يتم تدريب الحيوانات المزروعة في صندوق مكوك مكون من مقصورتين وفق نموذج "انطلق-لا تنطلق" (go no-go paradigm)، مع تسجيل النشاط العصبي المستمر في القشرة السمعية واستخدام التحفيز المجهري داخل القشرة لغرض الإشراط.

بعد ذلك، يتم إجراء تحليل لسلوك التعلم وأنماط النشاط المكاني الزمني المرتبطة بالتعلم لكل تجربة على حدة خارج نطاق الاتصال المباشر (offline). وتظهر النتائج كيف يمكن استخدام التحفيز الدقيق للقشرة المخية في مواقع محددة لاستثارة أنماط نشاط مكاني زمني تتيح توصيف الحالات المعرفية الذاتية الداخلية. وبذلك، تؤسس هذه الطريقة لروابط بين أنماط نشاط الدوائر القشرية والحالات السلوكية الملحوظة للتعلم والإدراك.

تُظهر التقنيات الموصوفة هنا أنه ليس من الممكن فقط ربط أنماط النشاط القشري الفردية بحالات سلوكية ومعرفية محددة، بل من الممكن أيضاً استثارة تصورات محددة عن طريق التحفيز الكهربائي بحيث يمكن ربطها بسلوكيات مختلفة. ويتجه توسيع نطاق هذه النتائج نحو تطوير بدائل عصبية تعويضية للوظائف الحسية المفقودة. كما يمكن تطبيق هذه الطريقة على أنواع أخرى من القوارض مثل الجرذان والفئران.

بشكل عام، سيواجه الأشخاص المبتدئون في هذه الطريقة بعض الصعوبات؛ لأن الحصول على نتائج جيدة من تجارب التعلم هذه يتطلب خبرة ومعايير متطورة في التعامل مع الحيوانات وتدريبها. أولاً، يتم تحضير مصفوفات أقطاب كهربائية تحفيزية متعددة القنوات، ثم تُزرع جراحيًا في القشرة السمعية. ووفقًا للتعليمات الواردة في الجزء المكتوب من البروتوكول، لا يبدأ باقي الإجراء إلا بعد تعافي الحيوانات تمامًا من الجراحة.

تتكون مصفوفات السطح فوق الجافية من أسلاك الفولاذ المقاوم للصدأ المرتبة في مصفوفة ثلاثية في ستة بمسافة بين القطب والآخر تبلغ حوالي 600 microns. قم بتوصيل مضخم مرحلة الرأس بكابل التسجيل. استخدم حزمة من الكابلات المرنة الرقيقة الملفوفة بشبكة معدنية لحماية التوصيلات من التلف الناتج عن عض الحيوانات.

استخدم مضخمًا أوليًا في الصندوق المحمي لزيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء ونطاق تمرير الحزمة. قم بفلترة الإشارة في نطاق التردد المطلوب لتسجيلات جهد المجال المحلي. قم بأخذ عينات من البيانات بتردد أخذ عينات يزيد عن 1 kilohertz مع استخدام فلتر يتراوح من 2 إلى 300 hertz. بالنسبة لتسجيلات جهد الفعل، استخدم تردد أخذ عينات لا يقل عن 40 kilohertz وفلترًا يتراوح من 300 إلى 4,000 hertz.

لبدء الاختبار السلوكي، استخدم صندوق مكوك في غرفة معزولة صوتياً وكهربائياً. يحتوي الصندوق على حجرتين يفصل بينهما حاجز. استخدم ارتفاعات حواجز مناسبة لأنواع معينة، حيث أن ارتفاع الحاجز يؤثر على الانحياز السلوكي للاستجابة.

بعد توصيل الحيوان المراد اختباره بكابل التسجيل والتحفيز، ضع الحيوان برفق في غرفة التدريب واتركه يتأقلم لمدة ثلاث دقائق قبل بدء الجلسة، وقم بتسجيل جميع التغييرات في الحجرات خلال مرحلة التأقلم. تحقق بعناية من جودة التسجيل قبل بدء التدريب. طبق مرشح تحويل فورير السريع عبر الإنترنت على الإشارة لتحديد سعة ضوضاء 50 hertz.

أخيراً، تحقق جيداً من جميع التوصيلات بين موصل الرأس، والمهايئات، ومراحل الرأس، ومجموعة الكابلات، والمضخمات. استخدم محفزاً متعدد القنوات لتوصيل تحفيز دقيق داخل القشرة المخية إلى أقطاب التحفيز من أجل التحفيز الشرطي. قم بتوصيل المثير الشرطي ثم قم بتوصيل مثير صدمة القدم غير الشرطي عبر الأرضية الشبكية، وتأكد من أن قوة الصدمة الموصلة منفرة ولكن غير مؤلمة.

كما هو موضح هنا. يتم تقديم تجارب فارغة دون محفز غير شرطي ومحفز شرطي بشكل متناوب بين التجارب من أجل التصحيح عبر سلوك دقيق. يتم تصنيف تغيير المقصورة بعد ظهور المحفزات الشرطية ضمن نافذة زمنية حرجة تبلغ أربع ثوانٍ كاستجابة إصابة.

إذا لم يحدث رد فعل شرطي استجابةً للمثير الشرطي خلال النافذة الزمنية الحرجة، يتم تطبيق صدمة خفيفة للقدم فوراً لمدة تتراوح من 6 إلى 10 ثوانٍ. وباعتبار هذا مثيراً غير شرطي، يتم تصنيف هذه الحالة كـ "إخفاق" (miss) في تجارب المثير الشرطي السلبية، أما حدوث تغيير في الحجرة خلال النافذة الزمنية الحرجة فيُصنف كاستجابة "إنذار كاذب" (false alarm). يتم تطبيق المثير غير الشرطي لمدة تصل إلى 10 ثوانٍ فور حدوث هذه الاستجابة الشرطية غير الملائمة.

لا تطبق المنبه غير الشرطي المتمثل في صدمة القدم بعد تجارب المنبه الشرطي السلبية عندما يظل الحيوان في الحجرة خلال النافذة الزمنية الحرجة. صنف هذه الحالة على أنها رفض صحيح بعد اكتمال التجربة بأكملها؛ وللتحكم في ثبات موضع مصفوفة أقطاب التحفيز، قم بتوفير التخدير الجراحي ثم تطبيق تيار كاثودي أحادي القطب يتم إيصاله عبر جميع قنوات التحفيز للحصول على ترسبات حديدية في النسيج عند موضع الزرع. حدد فترات كمون الهروب بدقة عبر الإنترنت، وقم بزيادة قوة صدمة القدم خطوة واحدة إذا كانت فترات كمون الهروب أطول من ثانيتين.

بعد أول 20 تجربة لتحليل بيانات التدريب، احسب معدلات الاستجابة الشرطية للتجارب ذات المثير الشرطي الموجب والمثير الشرطي السالب كما هو موضح على الشاشة، ثم ارسم معدلات الاستجابة الشرطية كدالة للجلسة أو كتلة التجارب لتقييم تقدم التدريب وديناميكيات التعلم. وأخيرًا، قم بإجراء تحليل d' (deep prime) وفقًا للتعليمات الواردة في الجزء المكتوب من البروتوكول. يمكن استخدام مؤشر الحساسية بقيمة d' تزيد عن واحد كمعيار عتبة لاستجابة التمييز الناجحة؛ حيث يتم رسم فترات زمنية للاستجابة خلال تجارب المثيرات الشرطية الموجبة هنا لكل تجربة فردية. وعبر جميع جلسات التدريب، فإن جميع الاستجابات التي تقل فتراتها الزمنية عن ثوانٍ تقابل استجابات إصابة (hit responses) ناجحة.

تظهر المدرجات التكرارية لفترات كمون الاستجابة توزيعاً ثنائي المنوال، حيث تقابل استجابات HIIT عند أقل من ست ثوانٍ واستجابات الهروب عند ست إلى ثماني ثوانٍ. يعد هذا مثالاً نموذجياً لجهد مثار كهربائياً (EEP) من حيوان واحد تم حساب متوسطه عبر تجارب المنبه الشرطي الإيجابي في جلسة تدريب واحدة؛ حيث يظهر الـ EEP باللون الأسود قبل إزالة آثار المنبه للنبضة الواحدة، وباللون الأحمر بعد إزالة هذه الآثار. ويمكن ملاحظة القمة السالبة البارزة المبكرة المعروفة باسم N two zero عند فترة كمون تبلغ 20 milliseconds.

يوضح هذا الشكل المزيد من التحليل للتوزيعات المكانية لسعة N20 استجابةً لمحفز حالة إيجابية عند قطب التحفيز المنقاري في اللوحة العلوية، واستجابةً لمحفز حالة سلبية عند قطب التحفيز الذيلي. أما في اللوحة السفلية، فيكشف هذا عن الدقة المكانية للحالات المستثارة عبر القشرة السمعية. وأثناء محاولة تنفيذ هذا الإجراء، من المهم تذكر أن تأريض أرضية الشبكة أمر بالغ الأهمية للحصول على تسجيلات إلكتروفيزيولوجية عالية الجودة، بالإضافة إلى ضمان التوصيل السليم للتحفيز الكهربائي عقب هذا الإجراء.

يمكن إدراج طرق أخرى مثل التلاعبات البصرية الوراثية والدوائية في البروتوكول من أجل استقصاء أنواع خلايا وأنظمة ناقلات محددة في الدوائر القشرية أثناء الإدراك والتعلم. وتعبد هذه التقنية الطريق للباحثين في هذا المجال للانتقال من مجرد الوصف الارتباطي إلى وصف أكثر سببية لدور الديناميكيات العصبونية في وظائف التعلم والذاكرة.