Kombinierte Shuttle-Box-Training mit Elektrophysiologische Cortex Ableitung und Stimulation als ein Instrument zur Wahrnehmung und Lernen Studie

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, die neuronale Massenaktivität und Neurodynamik während des Lernens zu bewerten und gezielt zu beeinflussen. Dies wird erreicht, indem zunächst Multielektroden-Arrays implantiert werden, die eine standortspezifische gleichzeitige Stimulation und Aufzeichnung neuronaler Aktivität im auditorischen Kortex ermöglichen. In einem zweiten Schritt werden die implantierten Tiere in einer zweiteiligen Laufbox im „Go-No-Go“-Paradigma trainiert, wobei die kontinuierliche neuronale Aktivität im auditorischen Kortex aufgezeichnet und eine intrakortikale Mikrostimulation zur Konditionierung eingesetzt wird.

Anschließend erfolgt die Analyse des Lernverhaltens und lernbezogener raumzeitlicher Aktivitätsmuster offline auf der Grundlage einzelner Versuchsdurchläufe. Die Ergebnisse zeigen, wie ortspezifische kortikale Mikrostimulation eingesetzt werden kann, um raumzeitliche Aktivitätsmuster hervorzurufen, die es ermöglichen, innere, subjektive kognitive Zustände zu charakterisieren. Dadurch schafft diese Methode Verbindungen zwischen Aktivitätsmustern kortikaler Schaltkreise und beobachtbaren Verhaltenszuständen des Lernens und der Wahrnehmung.

Die hier beschriebenen Techniken zeigen, dass es nicht nur möglich ist, individuelle kortikale Aktivitätsmuster bestimmten Verhaltens- und kognitiven Zuständen zuzuordnen, sondern auch, durch elektrische Stimulation definierte Wahrnehmungen hervorzurufen, die mit unterschiedlichen Verhaltensweisen assoziiert werden können. Die Erweiterung dieser Erkenntnisse zielt auf die Entwicklung neuroprothetischer Ersatzlösungen für verlorengegangene Sinnesfunktionen ab. Diese Methode kann auch auf andere Nagetierarten wie Ratten und Mäuse angewendet werden.

Im Allgemeinen haben Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten, da Erfahrung und gut ausgebildete Standards im Umgang mit und der Ausbildung von Tieren erforderlich sind, um gute Ergebnisse aus diesen Lernexperimenten zu erzielen. Zuerst werden stimulative Multikanal-Elektrodenarrays vorbereitet und anschließend chirurgisch in den auditorischen Kortex implantiert. Gemäß den Anweisungen im schriftlichen Teil des Protokolls beginnt der Rest des Verfahrens erst, nachdem sich die Tiere vollständig von der Operation erholt haben.

Epidurale Oberflächenarrays bestehen aus Edelstahldraht, der in einer Matrix mit drei mal sechs Anordnung angeordnet ist und einen Elektrodenabstand von etwa 600 Mikrometern aufweist. Stecken Sie die Kopfstufenverstärker in das Aufnahmekabel. Verwenden Sie eine Leitungsschleife aus dünnen, flexiblen Kabeln, die von einem Metallgeflecht umhüllt sind, um die Verbindung vor Beschädigungen durch beißende Tiere zu schützen.

Verwenden Sie einen Vorverstärker in der abgeschirmten Box, um das Signal-Rausch-Verhältnis und die Bandbreite zu erhöhen. Filtern Sie das Signal im gewünschten Frequenzbereich für die Aufzeichnung lokaler Feldpotentiale. Nehmen Sie die Daten mit einer Abtastrate von mehr als einem Kilohertz und einem Filter von zwei bis 300 Hertz auf. Für die Aufzeichnung von Aktionspotentialen verwenden Sie eine Abtastrate von mindestens 40 Kilohertz und ein Filter von 300 bis 4.000 Hertz.

Beginnen Sie den Verhaltensversuch mit einer Shuttle-Box in einer akustisch und elektrisch abgeschirmten Kammer. Die Box besteht aus zwei Kammern, die durch eine Hürde getrennt sind. Verwenden Sie Hürdenhöhen, die für die jeweilige Spezies geeignet sind, da die Höhe der Hürde die Verhaltensneigung der Reaktion beeinflusst.

Nachdem das zu testende Tier an das Aufnahme- und Stimulationskabel angeschlossen wurde, das Tier vorsichtig in die Trainingskammer stellen und vor Beginn einer Sitzung drei Minuten lang zur Gewöhnung zulassen; alle Kompartimentwechsel in der Gewöhnungsphase aufzeichnen. Die Qualität der Aufnahme vor Beginn des Trainings sorgfältig überprüfen. Ein Online-Schnelle-Fourier-Transformation-Filter auf das Signal anwenden, um die Amplitude des 50-Hertz-Rauschens zu bestimmen.

Überprüfen Sie abschließend alle Verbindungen zwischen dem Kopf-Connector, den Adaptern, den Headstages, dem Kabelbaum und den Verstärkern. Nutzen Sie einen Multikanal-Stimulator, um eine intrakortikale Mikrostimulation an den Stimulations-Elektroden für die konditionierende Stimulation abzugeben. Geben Sie den konditionierenden Reiz ab und anschließend den unkonditionierten Reiz in Form eines Fußschocks über den Gitterboden; stellen Sie sicher, dass die Stärke des Schocks abschreckend, aber nicht schmerzhaft ist.

Wie hier zu sehen ist. Führen Sie Leerläufe ohne unkonditionierten Reiz und konditionierten Reiz durch, die zwischen den Durchgängen eingestreut sind, um über subtile Verhaltensweisen zu korrigieren. Klassifizieren Sie einen Wechsel des Kompartiments nach dem Einsetzen des konditionierten Reizes innerhalb eines kritischen Zeitfensters von vier Sekunden als Trefferreaktion.

Wenn eine konditionierte Reaktion innerhalb des kritischen Zeitfensters nicht auf den konditionierten Reiz erfolgt, wird unverzüglich ein leichter Fußschock für sechs bis 10 Sekunden verabreicht. Klassifizieren Sie dies als Fehlreaktion bei konditionierten Stimulus-negativen Versuchen. Ein Wechsel des Kompartiments innerhalb des kritischen Zeitfensters wird als Fehlalarmreaktion gewertet. Wenden Sie den unkonditionierten Reiz unmittelbar nach dieser unangemessenen konditionierten Reaktion bis zu 10 Sekunden lang an.

Wenden Sie den Fußschock-Unconditionierten Stimulus nicht nach konditionierten Stimulus-negativen Versuchen an, wenn sich das Tier während des kritischen Zeitfensters in der Kammer aufhält. Klassifizieren Sie dies als korrekte Zurückweisung, nachdem das gesamte Experiment abgeschlossen ist. Kontrollieren Sie die stabile Position des Stimulations-Elektrodenarrays, indem Sie eine chirurgische Anästhesie verabreichen und anschließend einen monopolaren kathartischen Strom über alle Stimulationskanäle leiten, um Eisendeponien im Gewebe an der Implantationsstelle zu erzeugen. Bestimmen Sie die Fluchtlatenzen sorgfältig online und erhöhen Sie die Fußschock-Stärke stufenweise, wenn die Fluchtlatenzen länger als zwei Sekunden sind.

Nach den ersten 20 Durchgängen zur Analyse der Trainingsdaten berechnen Sie die konditionierten Reaktionsraten für die positiven und negativen konditionierten Reizdurchgänge, wie im Bildschirmplot dargestellt, wobei die konditionierten Reaktionsraten in Abhängigkeit von der Sitzung oder dem Durchgangsblock aufgezeichnet werden, um den Trainingsfortschritt und die Lernprozesse zu bewerten. Führen Sie abschließend die Deep-Prime-Analyse gemäß den Anweisungen im schriftlichen Teil des Protokolls durch. Ein Sensitivitätsindex mit einem Deep Prime von mehr als eins kann als Schwellenwertkriterium für erfolgreiche Diskriminationsreaktionslatenzen verwendet werden. Die Reaktionslatenzen während der positiven konditionierten Reizdurchgänge sind hier für einzelne Durchgänge dargestellt. Über alle Trainingssitzungen hinweg entsprechen alle Antworten mit Latenzen unterhalb von Sekunden erfolgreichen Hit-Antworten.

Histogramme der Antwortlatenzen sind bimodal und entsprechen HIIT-Antworten unter sechs Sekunden sowie Fluchtreaktionen zwischen sechs und acht Sekunden. Dies ist ein typisches Beispiel eines elektrisch hervorgerufenen Potenzials (EHP) von einem einzelnen Tier, gemittelt über alle positiven Stimulationsdurchläufe einer einzelnen Trainingssitzung. Das EHP ist vor der Entfernung der Einzelimpuls-Stimulationsartefakte in Schwarz und danach in Rot dargestellt. Der frühe, markante negative Ausschlag, bekannt als N20, ist bei einer Latenz von 20 Millisekunden erkennbar.

Diese Abbildung zeigt eine weitere Analyse der räumlichen Verteilungen der N zwei Nullamplituden als Reaktion auf einen positiven konditionierenden Reiz an der rostralen Stimulations-Elektrode im oberen Panel sowie auf einen negativen konditionierenden Reiz an der kaudalen Stimulations-Elektrode. Im unteren Panel wird dadurch die räumliche Auflösung evozierter Zustände im gesamten auditorischen Kortex sichtbar. Bei Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig zu beachten, dass die Erdung des Gitterbodens entscheidend ist, um hochwertige elektrophysiologische Aufzeichnungen zu erhalten und eine korrekte Applikation elektrischer Stimulation sicherzustellen.

Andere Methoden wie optogenetische und pharmakologische Eingriffe können in das Protokoll einbezogen werden, um spezifische Zelltypen und Transmittersysteme in der kortikalen Schaltung während Wahrnehmung und Lernen zu untersuchen. Diese Technik eröffnet Forschern im Bereich die Möglichkeit, die Rolle neuronaler Dynamik für Lern- und Gedächtnisfunktionen von einer rein korrelativen zu einer kausaleren Beschreibung weiterzuentwickeln.