联合穿梭盒子训练与电的Cortex记录和刺激作为一种工具来研究感知和学习
2015年10月22日
穿梭箱回避学习是行之有效的行为神经。本协议描述了如何穿梭盒子学习啮齿类动物可以与特定地点的电气皮层内微刺激（ICMS） 和体内录音作为研究学习和感知的多个方面的工具的同时慢性相结合。
以下实验的总体目标是在学习过程中评估和纵神经质量动作和神经动力学。这是通过首先植入多电极阵列来实现的，该阵列允许对听觉皮层中的神经元活动进行特定位点的同时刺激和记录。作为植入的第二步，动物在 go no-go 范式的两室穿梭箱中接受训练，同时记录听觉皮层中正在进行的神经元活动并使用皮层内微刺激进行调节。
接下来，对学习行为和学习相关的时空活动模式进行离线试验分析。结果显示了如何使用特定于位点的皮层微刺激来唤起允许表征内部主观认知状态的时空活动模式。因此，这种方法在皮层回路活动模式与观察到的学习和感知行为状态之间建立了联系。
这里描述的技术表明，不仅可以将单个皮层活动模式与定义的行为和认知状态相关联，而且还可以通过电模拟唤起可能与不同行为相关的定义感知。这一发现的扩展是开发神经假体替代丧失的感觉功能。这种方法也可以应用于其他啮齿动物物种，例如大鼠和小鼠。
一般来说，刚接触这种方法的人会很挣扎，因为需要处理和训练动物的经验和成熟的标准才能从这些学习实验中获得良好的结果。首先准备刺激性多通道电极阵列，然后通过手术植入听觉皮层。根据方案书面部分的说明，其余程序仅在动物从手术中完全恢复后才开始。
硬膜外表面阵列由不锈钢丝制成，排列成 3 x 6 矩阵，电极间距离约为 600 微米。将头级放大器插入录音电缆。使用由金属网包裹的细柔性电缆线束，以保护连接免受动物咬伤。
使用屏蔽箱中的前置放大器来提高信噪比和带通。在所需的频率范围内过滤信号以进行局部场电位记录。使用 2 到 300 赫兹滤波器以超过 1 kHz 的采样频率对数据进行采样 对于动作电位记录，请使用至少 40 kHz 的采样频率和 300 到 4， 000 赫兹的滤波器。
要开始行为测试，请使用声学和电气屏蔽室中的穿梭箱。该盒子包含两个隔间，由一个栏杆隔开。使用适合特定物种的门槛高度，因为门槛的高度会影响响应的行为偏差。
将待测动物连接到记录和刺激电缆后，轻轻地将动物放入训练室中，让它适应三分钟，然后开始训练，记录适应阶段的所有隔间变化。在训练开始之前，请仔细检查录音的质量。对信号应用在线快速傅里叶变换滤波器，以确定 50 赫兹噪声的幅度。
最后，仔细检查头连接器、适配器、头级、电缆线束和放大器之间的所有连接。使用多通道刺激器将皮质内微刺激传递到刺激电极以进行条件刺激。传递条件刺激，然后通过网格地板传递足部电击无条件刺激，确保传递的电击强度是厌恶的，但不是痛苦的。
如图所示。呈现没有无条件刺激的空白试验和穿插在试验之间的条件刺激，以便通过微妙的行为进行纠正。在 4 秒的关键时间窗口内，将条件刺激开始后的隔室变化分类为命中响应。
如果在关键时间窗口内没有响应条件刺激而发生条件反应，请立即进行 6 到 10 秒的轻度足部电击。由于无条件刺激将其归类为条件刺激阴性试验的错过，因此关键时间窗口内的隔室变化被归类为误报反应。在这种不适当的条件反应之后，立即施加无条件刺激长达 10 秒。
当动物在关键时间窗口内留在隔间时，不要在条件刺激阴性试验后应用足部电击无条件刺激。将此归类为正确的排斥反应，在整个实验中完全控制刺激电极阵列的稳定位置，提供手术麻醉，然后施加通过所有刺激通道传递的单极导泻电流，在植入位置的组织中获得铁沉积物。仔细确定在线逃逸延迟 增加脚部冲击强度 如果逃逸延迟超过两秒，则步骤。
在前 20 次试验之后分析训练数据，计算条件刺激阳性和条件刺激阴性试验的条件反应率，如屏幕所示，将条件反应率绘制为会话或试验块的函数，以评估训练进度和学习动态。最后，根据实验方案书面部分的说明进行深度引物分析。深度素数大于 1 的灵敏度指数可以用作成功区分反应的阈值标准 条件刺激阳性试验期间的延迟在这里绘制用于单个试验 在所有训练课程中，所有延迟低于秒的响应都对应于成功的命中响应。
响应延迟的直方图是双峰的，对应于不到 6 秒的 HIIT 响应和 6 到 8 秒的转义响应。这是在单次训练中条件刺激阳性试验中对单只动物的电诱发电位或 EEP 的平均示例，EEP 在去除单脉冲刺激伪影之前以黑色显示，在去除伪影之后以红色显示。早期突出的负峰值称为 N 2 零，可以在 20 毫秒的延迟处看到。
该图显示了对响应上面板喙部刺激电极处的正条件刺激和 coddle 刺激电极处的负条件刺激的 N 两个零振幅的空间分布的进一步分析。在底部面板中，这揭示了整个听觉皮层中诱发状态的空间分辨率。在尝试此程序时，重要的是要记住网格地板的接地对于获得高质量的电生理记录以及正确传递电刺激至关重要。遵循此程序。
协议中可以包含其他方法，如光遗传学和药理学作，以便研究感知和学习过程中皮层回路中的特定细胞类型和递质系统。这项技术为该领域的研究人员铺平了道路，从单纯的相关描述到对神经元动力学对学习和记忆功能的作用的更因果描述。
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概述
本研究探讨了啮齿动物的穿梭盒回避学习，将部位特定的皮层内微电刺激（ICMS）与体内记录相结合。该方法旨在探索学习过程中皮层活动模式与行为状态之间的关系。
关键研究组成部分
科学领域
- 行为神经科学
- 神经动力学
- 学习与知觉
背景
- 穿梭盒回避学习是行为神经科学中一种成熟的方法。
- 部位特定的ICMS允许对神经元回路进行靶向刺激。
- 理解神经活动与行为之间的联系对于洞察认知过程至关重要。
- 本研究利用去无法（go no-go）范式来评估啮齿动物的学习行为。
研究目的
- 评估并操控学习过程中的神经质量行动。
- 通过皮层活动模式表征内部认知状态。
- 建立观察到的行为与神经动力学之间的联系。
使用的方法
- 植入多电极阵列用于刺激和记录。
- 在双隔室穿梭盒中训练动物。
- 记录听觉皮层的持续神经元活动。
- 基于试验的学习行为和时空活动模式分析。
主要结果
- 部位特定的皮层微电刺激引发了不同的时空活动模式。
- 这些模式与学习过程中的行为状态相关。
- 该方法提供了基于神经活动的认知状态洞察。
- 结果展示了ICMS在研究学习和知觉方面的潜力。
结论
- ICMS是将皮层活动与行为结果联系的有价值工具。
- 这种方法增强了对大脑学习机制的理解。
- 未来的研究可以在这些发现基础上进一步探索认知过程。
常见问题
Executive Industry Relevance
Integrating shuttle-box avoidance learning with intracortical microstimulation and electrophysiological recording enables direct interrogation of neural circuit function during behavioral adaptation. This approach provides mechanistic insight into perception and learning, supporting predictive confidence in target validation and de-risking of neurobiological hypotheses. The method is positioned to inform early discovery and translational neuroscience portfolios by linking circuit-level activity to observable behavioral outcomes.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables functional validation of neural circuits implicated in perception and learning.
- Supports mechanistic de-risking by correlating specific cortical activation patterns with behavioral responses.
- Facilitates hypothesis-driven interrogation of afferent, efferent, and intracortical pathways.
- Provides quantitative endpoints for evaluating target engagement and circuit modulation.
Screening & Assay Development
- Establishes validated behavioral paradigms for assessing neuroactive compounds in vivo.
- Delivers reproducible, quantitative readouts of learning performance and neural activity.
- Enables assay standardization through defined stimulation and recording protocols.
- Prepares robust systems for downstream screening of candidate interventions.
Translational & Preclinical Research
- Aligns neural circuit manipulation with disease-relevant behavioral endpoints.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation in rodent models.
- Enables risk-adjusted advancement decisions based on functional and behavioral biomarkers.
- Provides a platform for evaluating neuroprosthetic strategies for sensory substitution.
Pipeline & Workflow Integration
This combined behavioral and electrophysiological approach bridges early discovery, target validation, and preclinical research by enabling causal testing of neural circuit function in learning paradigms.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by linking stimulation-evoked activity to behavioral outcomes.
- Screening: Provides quantitative, reproducible measures of learning and perception for compound evaluation.
- Analytics: Delivers trial-by-trial behavioral and electrophysiological data for robust statistical comparison.
- Translational Research: Facilitates alignment of neural circuit endpoints with disease-relevant behaviors.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable platform adaptable to multiple rodent species and experimental questions.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in neural target validation and reduces mechanistic ambiguity.
- Operational Value: Standardizes behavioral and electrophysiological workflows for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and enhances capital efficiency by providing early functional readouts.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of neurobiological targets and interventions.
Implementation Considerations
- Requires expertise in animal handling, surgical implantation, and behavioral training.
- Demands specialized instrumentation for multi-channel stimulation and high-fidelity electrophysiological recording.
- Necessitates rigorous cross-team standardization of protocols and data analysis.
- Adaptable across rodent species with consideration for species-specific behavioral parameters.
- Dependent on stable electrode placement and high-quality signal acquisition for reliable outputs.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
2:03
In-Vivo Electrophysiological Recordings in Learning Animals
3:10
Two-Way Shuttle-Box Avoidance Using Intracortical Microstimulation as the Conditioned Stimulus
5:47
Analysis of Shuttle-Box Data
6:36
Results: Response Latencies and Parallel Electrophysiological Recording in a Learning Animal
7:51
Conclusion
