Aufnahme von Aktionspotentialen einzelner Neuronen "sich frei zu bewegen Tauben auf drei Stages of Learning

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, die Antwortmuster einzelner Neuronen zu charakterisieren. Während der Versuchsteilnehmer eine visuelle Diskriminationsaufgabe ausführt, die Erwerb, Auslöschung und erneuten Erwerb konditionierter Antworten umfasst, wird zunächst ein erfahrener Versuchsteilnehmer trainiert, eine von zwei möglichen Entscheidungsantworten nach der Präsentation eines von zwei verschiedenen visuellen Reizen abzugeben.

Nachdem das Tier zuverlässig eine Unterscheidung zeigt, indem es auf einen zufälligen der beiden Reize reagiert, erfolgt anschließend keine Verstärkung mehr. Sobald die konditionierte Reaktion auf diesen Reiz abnimmt, werden die Antworten erneut kontinuierlich verstärkt, was zu einer schnellen Wiedererlangung der Reaktion führt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Aktivitätsmuster einzelner Neuronen schrittweise verändern, während das Tier an der Lernaufgabe beteiligt ist.

Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden liegt darin, dass verschiedene Lernphasen innerhalb weniger Stunden in einer einzigen Sitzung durchgeführt werden. Dies ermöglicht die Verfolgung der Aktionspotentiale einzelner Neuronen während des gesamten Lernprozesses. Diese Methode kann Einblicke in die Mechanismen liefern, die adaptivem operanten Verhalten auf zellulärer Ebene zugrunde liegen.

Um mit der automatischen Formung zu beginnen, setzen Sie eine Taube in eine Versuchskammer, die wie im begleitenden textlichen Protokoll beschrieben eingerichtet wurde. Anschließend wird ein fünf Sekunden langer visueller Initialisierungsreiz auf der mittleren Taste präsentiert. Unmittelbar nach Beendigung des Initialisierungsreizes oder nach einem einzigen Schnabelschlag auf die Antworttaste, je nachdem, welches Ereignis zuerst eintritt, schalten Sie die Tastenbeleuchtung aus und präsentieren die Futterbelohnung, indem Sie den Futterspender für zwei Sekunden aktivieren.

Halten Sie das Intervall zwischen den Versuchen länger als die Stimulusdarbietungsdauer, um das Lernen zu fördern. Der Initialisierungsreiz wird als Bestätigung der Initialisierung und als Auswahl-Taste in der abschließenden Aufgabe wiederverwendet.

Sobald das Tier in mindestens 85 % der Versuche reagiert, verringern Sie das Intertrialintervall schrittweise auf 10 Sekunden und die Präsentationsdauer auf zwei Sekunden. Erhöhen Sie die Anzahl der erforderlichen Antworten für die Verstärkung auf drei. Steigern Sie die Gesamtanzahl der Versuche pro Tag, sodass das Tier etwa eine Stunde lang trainiert wird.

Wiederholen Sie diese Trainingsschritte für die linke und rechte Antworttaste, bis zuverlässig eine Reaktion auf den Initialisierungsreiz für alle Tasten erfolgt. Wechseln Sie nun zufällig zwischen Versuchen für die linke, rechte und mittlere Taste; zeigen Sie zunächst den Initialisierungsreiz in der Mitte an und präsentieren Sie nach Erhalt einer Reaktion den Initialisierungsreiz an einer der seitlichen Tasten. Verstärken Sie die Reaktion auf die mittlere Taste nicht.

Wechseln Sie zufällig von Durchgang zu Durchgang, welche Seitentasten verstärkt werden. Wenn nach fünf Sekunden keine Reaktion auf die mittlere Taste erfolgt, beenden Sie den Durchgang. Dieser Trainingsabschnitt dauert etwa drei Tage nach der Initialisierung des STI.

Führen Sie zwei neue Reize ein, die später im endgültigen Versuch als vertraute Reize dienen werden, und wiederholen Sie die automatischen Formungsschritte mit diesen Reizen, um eine Reaktion auf die vertrauten Reize zu erzielen. Die Trainingseinheiten mit den neuen Reizen führen gewöhnlich innerhalb von vier Tagen zu korrekten Reaktionen. Leuchten Sie nur die Wahl-Taste, die für den jeweiligen vertrauten Reiz korrekt ist.

Diese Trainingsphase sollte etwa eine Woche dauern, sobald der Versuchsteilnehmer zuverlässig mit mindestens 85 % der Antworten auf die korrekte Seitentaste reagiert. Führen Sie freie Wahlversuche ein, bei denen während der Wahlphase beide Seitentasten beleuchtet sind. Die Reaktion auf die korrekte Seite wird mit einer zweisekündigen Belohnung durch Futter belohnt.

Fehlerhafte Antworten werden dadurch bestraft, dass die Kabinenleuchten für zwei Sekunden ausgeschaltet werden. Wenn innerhalb von drei Sekunden keine Antwort erfolgt, sollte das Programm so eingestellt sein, dass der Versuch beendet und die intertriale Pause erneut gestartet wird. Diese Trainingsphase sollte ungefähr zwei Wochen dauern.

Erhöhen Sie den Anteil an Freiwahlversuchen im Verlauf des Trainings schrittweise von 20 % auf 100 %. Wenn der Proband in den Freiwahlversuchen eine Leistung von über 90 % korrekt erreicht, verringern Sie die Belohnungswahrscheinlichkeit für korrekte Antworten auf 0,5 und erhöhen Sie gleichzeitig die Anzahl der Versuche pro Sitzung auf 1000. Ändern Sie die Parameter nicht jeden Tag, sondern wählen Sie sie flexibel.

Abhängig vom Leistungsniveau des Versuchstieres. Diese Trainingsphase dauert etwa vier Wochen. Tauben sind von Natur aus neophob und zögern, unbekannte Reize zu picken.

Wiederholen Sie daher die automatische Formung für eine breite Palette unterschiedlicher visueller Reize. Sobald das Training abgeschlossen ist, kann die endgültige Ein-Intervall-Force-Choice-Aufgabe mit neuen Reizen unter verschiedenen Verstärkungsbedingungen durchgeführt werden. Lassen Sie während der Aufwärmphase den Probanden 50 Durchgänge mit den vertrauten Reizen durchführen.

Stellen Sie die Belohnungswahrscheinlichkeit für diese Stimuli in allen Phasen auf weniger als eins ein, um einen Verlust der Motivation zur Reaktion während der Erwerbsphase zu verhindern. Wechseln Sie zufällig zwischen Durchgängen mit Präsentation der vertrauten und neuen Stimuli, weisen Sie den beiden neuen Stimuli unterschiedliche Antworttasten als korrekt zu und verstärken Sie jede korrekte Antwort. Berechnen Sie den Prozentsatz korrekter Antworten als laufenden Durchschnitt über die letzten 120 Durchgänge.

Der Erwerb ist abgeschlossen, sobald die Leistung für jeden neuen Reiz nach mindestens 150 Durchgängen in der Auslöschungsphase 85 % überschreitet. Beenden Sie die Verstärkung korrekter und die Bestrafung inkorrekter Antworten auf einen zufälligen neuen Reiz. Beginnen Sie die Anforderungsphase, wenn korrekt.

Die Reaktion auf den Extinktionsreiz fällt unter 60 %, und das Tier hat in dieser Phase insgesamt mindestens 150 Durchgänge absolviert. In der Wiederaufnahmephase verstärken Sie korrekte und bestrafen inkorrekte Reaktionen auf den Extinktionsreiz, wie dies bereits in der Erwerbsphase erfolgt ist. Beenden Sie die Sitzung, wenn die Leistung für diesen Reiz 85 % überschreitet und das Tier mindestens 150 Durchgänge in dieser Phase durchgeführt hat.

Implantieren Sie die Elektroden. Sobald die Tiere den gesamten Erwerbs-, Auslöschungs- und Wiedergewinnungsprozess mehrfach abgeschlossen haben, verwenden Sie pro Sitzung ein neues Paar neuartiger Stimuli und rücken die Elektroden um mindestens 125 Mikrometer oder eine halbe Umdrehung der Einstellschraube vor, bevor Sie beginnen. Falls keine Aktionspotenziale mit ausreichendem Signal-Rausch-Verhältnis beobachtet werden, brechen Sie die Sitzung ab und setzen Sie das Tier vor einem erneuten Versuch am nächsten Tag auf die Startseite zurück.

Verwenden Sie die Offline-Analyse-Software Ban, um alle Kanäle mit steilen Flanken von 500 bis 5.000 Hertz zu filtern, extrahieren Sie Spikes anhand von Amplitudenschwellwerten und sortieren Sie diese manuell mittels Hauptkomponentenanalyse. Benutzerspezifisch erstellter MATLAB-Code zur Sortierung der Ergebnisse ist im MATLAB Central File Exchange verfügbar. Eine gut isolierte Einheit sollte einem klar abgegrenzten Cluster entsprechen.

Im Hauptkomponentenraum gibt es kein Anzeichen für mehrere Einheiten, wenn alle aufgezeichneten Wellenlängen überlagert und als Wärmekarte dargestellt werden. Die amplitudenstabilen, symmetrisch verteilten Spitzensignale bleiben während der gesamten Sitzung konstant, wie durch unveränderte Spitzenamplituden gezeigt wird, sowie durch keine oder nur sehr wenige Spikereignisse, die während der Refraktärzeit des vorangegangenen Spikes auftreten, und durch ein Signal-Rausch-Verhältnis von mindestens zwei.

Überprüfen Sie die Rohkanäle offline auf bewegungsbedingte Artefakte und verwerfen Sie gegebenenfalls Kanäle. Testen Sie auf mögliche elektrische Artefakte, die während des Tastenpickens auftreten können, indem Sie das Zeit-Histogramm der Spikes pro registriertem Tastenpick untersuchen.

Klopfartefakte erscheinen als Peak im Histogramm innerhalb von 50 Millisekunden Zeit nach Null als zusätzliche Kontrollgrafik. Die Wellenformen aller Spike-Ereignisse, die innerhalb von 20 Millisekunden eines Tastendrucks registriert wurden, werden separat gespeichert und mit den Wellenformen von Spikes verglichen, die außerhalb dieses Zeitfensters detektiert wurden. Diese Verhaltensdaten eines Tieres bei der Durchführung der Einzelintervall-Force-Choice-Aufgabe zeigen von Beginn des Trainings an 100 % korrekte Entscheidungen für den neuen Reiz eins und das Erreichen der Kriteriumsleistung für den neuen Reiz zwei innerhalb von 180 Durchgängen in dieser Sitzung. Für den neuen Reiz zwei wurde zufällig die Auslöschung (Extinktion) ausgewählt, was bedeutet, dass alle Entscheidungen nach diesem Reiz während der Extinktion weder belohnt noch bestraft werden.

Die Leistung nimmt bei der Auslöschungsstimulation ab, bleibt jedoch bei der anderen neuen Stimulierung hoch. Die Kriteriumsstufe für die Auslöschung wird in Durchgang 370 erreicht, sobald korrekte und inkorrekte Antworten während der Wiederaufforderung erneut verstärkt und bestraft werden. Das Leistungskriterium von 85 % wird in Durchgang 402 erreicht.

Das Antwortmuster einer Einheit im Nadelkern wurde lateral aufgezeichnet, während ein Tier eine Aufgabe ausführte. Diese Aufgabe zeigt eine Modulation der Antwort während der Präsentation eines neuen Reizes. In der Erwerbsphase reagieren die Einheiten stark auf einen neuen Reiz. Zwei.

Zu Beginn des Lernens gibt es kaum Veränderungen der Aktivität während der Extinktions- und Reakkumulationsphasen. Auch die Reaktion auf einen neuen Reiz ist gering. Einmal während der Sitzung.

Eine weitere Einheit reagiert bei Bewegungen nach rechts, jedoch nicht bei solchen nach links, was auf eine sensorisch-motorische Kodierung hindeutet. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Tiere schrittweise trainiert werden können, um die abschließende Single-Interval-Forced-Choice-Aufgabe mit dynamischen Verstärkungsbedingungen durchzuführen. Diese Technik wird es Forschern auf dem Gebiet des Lernens und Gedächtnisses ermöglichen, die Umorganisation neuronaler Netzwerke während verschiedener Lernarten auf Ebene einzelner Zellen zu untersuchen.