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

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, die neuronale Massenaktion und die Neurodynamik während des Lernens zu bewerten und zu manipulieren. Dies wird erreicht, indem zunächst Multi-Elektroden-Arrays implantiert werden, die eine ortsspezifische gleichzeitige Stimulation und Aufzeichnung der neuronalen Aktivität im auditorischen Kortex ermöglichen. In einem zweiten Schritt werden die Tiere in einer zweiteiligen Shuttle-Box in einem Go-No-Go-Paradigma trainiert, während sie die laufende neuronale Aktivität im auditorischen Kortex aufzeichnen und intrakortikale Mikrostimulation zur Konditionierung verwenden.

Anschließend erfolgt die Analyse des Lernverhaltens und lernbezogener raumzeitlicher Aktivitätsmuster versuchsweise offline. Die Ergebnisse zeigen, wie ortsspezifische kortikale Mikrostimulation genutzt werden kann, um raumzeitliche Aktivitätsmuster hervorzurufen, die es ermöglichen, interne subjektive kognitive Zustände zu charakterisieren. Dabei stellt diese Methode Verbindungen zwischen kortikalen Schaltkreis-Aktivitätsmustern und beobachteten Lern- und Wahrnehmungszuständen her.

Die hier beschriebenen Techniken zeigen, dass es nicht nur möglich ist, einzelne kortikale Aktivitätsmuster mit definierten Verhaltens- und kognitiven Zuständen in Beziehung zu setzen, sondern dass es auch möglich ist, durch elektrische Simulation definierte Wahrnehmungen hervorzurufen, die mit unterschiedlichen Verhaltensweisen in Verbindung gebracht werden können. Die Erweiterung dieser Erkenntnisse zielt auf die Entwicklung einer neuroprothetischen Substitution für verlorene sensorische Funktionen hin. Diese Methode kann auch auf andere Nagetierarten wie Ratten und Mäuse angewendet werden.

Im Allgemeinen werden Personen, die mit dieser Methode noch nicht vertraut sind, Schwierigkeiten haben, da Erfahrung und gut entwickelte Standards im Umgang und Training von Tieren erforderlich sind, um gute Ergebnisse aus diesen Lernexperimenten zu erzielen. Zunächst werden stimulierende Mehrkanal-Elektrodenarrays präpariert und dann chirurgisch in die auditorische Hirnrinde implantiert. Gemäß den Anweisungen im schriftlichen Teil des Protokolls beginnt der Rest des Eingriffs erst, nachdem sich die Tiere vollständig von der Operation erholt haben.

Epidurale Oberflächenarrays bestehen aus Edelstahldraht, der in einer drei mal sechs Matrix mit einem Elektrodenabstand von etwa 600 Mikrometern angeordnet ist. Stecken Sie den Kopfstufenverstärker in das Aufnahmekabel. Verwenden Sie einen Kabelbaum aus dünnen, flexiblen Kabeln, der mit einem Metallgitter umwickelt ist, um die Verbindung vor Beschädigungen durch beißende Tiere zu schützen.

Verwenden Sie einen Vorverstärker in der abgeschirmten Box, um das Signal-Rausch-Verhältnis und den Bandpass zu erhöhen. Filtern Sie das Signal im gewünschten Frequenzbereich für lokale Field Potential-Aufnahmen. Abtastung von Daten mit einer Abtastfrequenz von mehr als einem Kilohertz mit einem Filter von zwei bis 300 Hertz Verwenden Sie für Aufzeichnungen von Aktionspotentialen eine Abtastfrequenz von mindestens 40 Kilohertz und einen Filter von 300 bis 4.000 Hertz.

Um den Verhaltenstest zu starten, verwenden Sie eine Shuttle-Box in einer akustisch und elektrisch abgeschirmten Kammer. Die Box enthält zwei Fächer, die durch eine Hürde getrennt sind. Verwenden Sie Hürdenhöhen, die für bestimmte Arten geeignet sind, da die Höhe der Hürde die Verhaltensverzerrung der Reaktion beeinflusst.

Nachdem Sie das zu testende Tier an das Aufzeichnungs- und Stimulationskabel angeschlossen haben, setzen Sie das Tier vorsichtig in die Trainingskammer und lassen Sie es vor Beginn einer Sitzung drei Minuten lang gewöhnen, protokollieren Sie alle Fachwechsel in der Gewöhnungsphase. Überprüfen Sie vor Beginn des Trainings sorgfältig die Qualität der Aufnahme. Wenden Sie einen schnellen Online-Fourier-Transformationsfilter auf das Signal an, um die Amplitude des 50-Hertz-Rauschens zu bestimmen.

Überprüfen Sie abschließend alle Verbindungen zwischen dem Kopfstecker, den Adaptern, den Kopfstufen, dem Kabelbaum und den Verstärkern. Verwenden Sie einen Mehrkanal-Stimulator, um die intrakortikale Mikrostimulation an die Stimulationselektroden für eine konditionierte Stimulation abzugeben. Geben Sie den konditionierten Stimulus ab und geben Sie dann den unbedingten Fußschock-Stimulus durch den Gitterboden ab, stellen Sie sicher, dass die Stärke des abgegebenen Schocks aversiv, aber nicht schmerzhaft ist.

Wie hier zu sehen. Präsentieren Sie leere Versuche ohne bedingungslosen Reiz und Konditionsreize, die zwischen den Versuchen eingestreut sind, um sie durch subtiles Verhalten zu korrigieren. Klassifizieren Sie eine Kompartimentänderung nach dem Einsetzen der konditionierten Reize innerhalb eines kritischen Zeitfensters von vier Sekunden als Trefferreaktion.

Wenn innerhalb des kritischen Zeitfensters keine konditionierte Reaktion als Reaktion auf den konditionierten Reiz auftritt, geben Sie sofort einen leichten Fußschock für sechs bis 10 Sekunden. Da unbedingte Stimuli dies als Fehlschlag für konditionierte Stimulus-Negativversuche klassifizieren, wird eine Kompartimentänderung innerhalb des kritischen Zeitfensters als Fehlalarmreaktion klassifiziert. Wenden Sie den unkonditionierten Reiz bis zu 10 Sekunden lang unmittelbar nach dieser unangemessenen konditionierten Reaktion an.

Wenden Sie den unkonditionierten Stimulus des Fußschocks nicht nach negativen Versuchen mit konditionierten Reizen an, wenn das Tier während des kritischen Zeitfensters im Kompartiment bleibt. Klassifizieren Sie dies als korrekte Abstoßung, nachdem das gesamte Experiment eine vollständige Kontrolle für die stabile Position des Stimulationselektrodenarrays ist, eine chirurgische Anästhesie durchgeführt wird und dann monopolarer kathartischer Strom angewendet wird, der über alle Stimulationskanäle abgegeben wird, um Eisenablagerungen im Gewebe an der Position der Implantation zu erhalten. Bestimmen Sie sorgfältig die Fluchtlatenzen online, um die Fußstoßfestigkeit zu erhöhen, wenn die Fluchtlatenzen länger als zwei Sekunden sind.

Berechnen Sie nach den ersten 20 Versuchen zur Analyse der Trainingsdaten die konditionierten Reaktionsraten für den positiven und den negativen konditionierten Reiz, wie auf dem Bildschirm gezeigt, die konditionierten Reaktionsraten als Funktion der Sitzung oder des Versuchsblocks, um den Trainingsfortschritt und die Lerndynamik zu bewerten. Führen Sie schließlich eine tiefe Prime-Analyse gemäß den Anweisungen im schriftlichen Teil des Protokolls durch. Ein Sensitivitätsindex mit der tiefen Primzahl von mehr als eins kann als Schwellenwertkriterium für erfolgreiche Diskriminierungsreaktionslatenzen während der Zustandsstimuli verwendet werden. Positive Versuche werden hier für Einzelversuche dargestellt. Über alle Trainingseinheiten hinweg entsprechen alle Reaktionen mit Latenzen unter Sekunden erfolgreichen Trefferantworten

Histogramme der Antwortlatenzen sind bimodal und entsprechen den HIIT-Antworten bei weniger als sechs Sekunden und den Escape-Antworten bei sechs bis acht Sekunden. Dies ist ein typisches Beispiel für ein elektrisch evoziertes Potential oder EEP von einem einzelnen Tier, gemittelt über positive Versuche mit Zustandsreizen in einer einzigen Trainingssitzung, das EEP wird vor der Entfernung von Einzelpuls-Stimulus-Artefakten in schwarz und nach der Entfernung von Artefakten in rot gezeigt. Der frühe markante negative Peak, bekannt als N zwei Null, ist bei einer Latenz von 20 Millisekunden zu sehen.

Diese Abbildung zeigt eine weitere Analyse der räumlichen Verteilungen der N zwei Null-Amplituden als Reaktion auf einen positiven Bedingungsreiz an der rostralen Stimulationselektrode im oberen Feld und auf einen negativen Bedingungsreiz an der verhätschelten Stimulationselektrode. Im unteren Bereich zeigt dies die räumliche Auflösung evozierter Zustände im gesamten auditorischen Kortex. Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass die Erdung des Gitterbodens entscheidend ist, um eine qualitativ hochwertige elektrophysiologische Aufzeichnung sowie eine ordnungsgemäße Abgabe der elektrischen Stimulation nach diesem Verfahren zu erhalten.

Andere Methoden, wie optogenetische und pharmakologische Manipulationen, können in das Protokoll aufgenommen werden, um spezifische Zelltypen und Transmittersysteme in den kortikalen Schaltkreisen während der Wahrnehmung und des Lernens zu untersuchen. Diese Technik ebnet Forschern auf diesem Gebiet den Weg von einer bloßen korrelativen zu einer eher kausalen Beschreibung der Rolle der neuronalen Dynamik für Lern- und Gedächtnisfunktionen.