Combinado de traslado-Box Entrenamiento con electrofisiológico corteza Grabación y estimulación como una herramienta para estudiar la percepción y aprendizaje

El objetivo general del siguiente experimento consiste en evaluar y manipular la acción masiva neural y las neurodinámicas durante el aprendizaje. Esto se logra primero implantando matrices de microelectrodos que permiten la estimulación y la grabación simultánea y específica de sitios de actividad neuronal en la corteza auditiva. En un segundo paso, los animales implantados son entrenados en una caja shuttle de dos compartimentos mediante un paradigma de ir/no ir, mientras se registra la actividad neuronal continua en la corteza auditiva y se utiliza la estimulación microcortical intracortical para el condicionamiento.

A continuación, se realiza un análisis del comportamiento de aprendizaje y de los patrones de actividad espacio-temporal relacionados con el aprendizaje, de manera individual para cada ensayo, fuera de línea. Los resultados muestran cómo la estimulación microcortical sitio-específica puede utilizarse para evocar patrones de actividad espacio-temporal que permiten caracterizar estados cognitivos subjetivos internos. De esta manera, este método establece conexiones entre los patrones de actividad en circuitos corticales y los estados conductuales observados de aprendizaje y percepción.

Las técnicas descritas aquí demuestran que no solo es posible relacionar patrones individuales de actividad cortical con estados conductuales y cognitivos definidos, sino que también es posible provocar mediante estimulación eléctrica percepciones definidas que pueden asociarse con diferentes comportamientos. La extensión de estos hallazgos apunta al desarrollo de sustituciones neuroprótesis para funciones sensoriales perdidas. Este método también puede aplicarse a otras especies de roedores, como ratas y ratones.

Por lo general, las personas nuevas en este método tendrán dificultades porque se requiere experiencia y estándares bien desarrollados en el manejo y entrenamiento de animales para obtener buenos resultados en estos experimentos de aprendizaje. Primero se preparan matrices de electrodos multicanal estimuladores y luego se implantan quirúrgicamente en la corteza auditiva. De acuerdo con las instrucciones en la parte escrita del protocolo, el resto del procedimiento comienza solo después de que los animales se hayan recuperado completamente de la cirugía.

Las matrices epidurales de superficie están hechas de alambre de acero inoxidable dispuesto en una matriz de tres por seis con una distancia interelectrodo de aproximadamente 600 micrones. Conecte el amplificador de la etapa inicial al cable de grabación. Utilice un arnés de cables delgados y flexibles envueltos con una malla metálica para proteger la conexión de daños causados por animales que muerden.

Utilice un preamplificador en la caja blindada para aumentar la relación señal-ruido y el filtro de paso de banda. Filtre la señal en el rango de frecuencia deseado para las grabaciones de potenciales de campo locales. Muestree los datos a una frecuencia de muestreo superior a un kilohercio con un filtro de dos a 300 hercios. Para las grabaciones de potenciales de acción, utilice una frecuencia de muestreo de al menos 40 kilohercios y un filtro de 300 a 4.000 hercios.

Para comenzar la prueba conductual, utilice una caja de transferencia en una cámara insonorizada y protegida contra interferencias eléctricas. La caja contiene dos compartimentos separados por un obstáculo. Utilice alturas de obstáculo adecuadas para especies específicas, ya que la altura del obstáculo influye en el sesgo conductual de la respuesta.

Después de conectar el animal que se va a probar al cable de grabación y estimulación, coloque suavemente al animal en la cámara de entrenamiento y permita que se habitúe durante tres minutos antes del inicio de una sesión; registre todos los cambios de compartimento durante la fase de habituación. Verifique cuidadosamente la calidad de la grabación antes del inicio del entrenamiento. Aplique un filtro en línea de transformada rápida de Fourier a la señal para determinar la amplitud del ruido de 50 hercios.

Finalmente, verifique cuidadosamente todas las conexiones entre el conector de cabeza, los adaptadores, las etapas de cabeza, el cableado y los amplificadores. Utilice un estimulador multicanal para aplicar una estimulación microcortical a los electrodos de estimulación con fines de estimulación condicionada. Aplique el estímulo condicionado y luego administre el estímulo no condicionado de descarga eléctrica a través del suelo de rejilla, asegurándose de que la intensidad de la descarga sea aversiva, pero no dolorosa.

Como se observa aquí. Presente ensayos en blanco sin estímulo incondicional y con estímulo condicionado intercalados entre los ensayos para corregir mediante un comportamiento sutil. Clasifique un cambio de compartimento después del inicio del estímulo condicionado dentro de una ventana de tiempo crítica de cuatro segundos como una respuesta acertada.

Si una reacción condicionada no ocurre en respuesta al estímulo condicionado dentro de la ventana temporal crítica, administre inmediatamente una descarga eléctrica leve en las patas durante seis a 10 segundos. Como estímulo no condicionado, clasifique esto como un fallo en los ensayos con estímulo condicionado negativo; un cambio de compartimento dentro de la ventana temporal crítica se clasifica como una respuesta de falsa alarma. Aplique el estímulo incondicionado durante hasta 10 segundos inmediatamente después de esta respuesta condicionada inadecuada.

No aplique el estímulo incondicionado de descarga eléctrica en los ensayos negativos del estímulo condicionado cuando el animal permanece en el compartimento durante la ventana temporal crítica. Clasifique esto como rechazo correcto tras completar todo el experimento. Controle la posición estable del arreglo de electrodos de estimulación, administre anestesia quirúrgica y luego aplique una corriente catártica monopolar a través de todos los canales de estimulación para obtener depósitos de hierro en el tejido en la posición de implantación. Determine cuidadosamente las latencias de escape en línea; aumente progresivamente la intensidad de la descarga eléctrica si las latencias de escape son superiores a dos segundos.

Después de las primeras 20 pruebas para analizar los datos de entrenamiento, calcule las tasas de reacción condicionada para las pruebas con estímulo condicionado positivo y estímulo condicionado negativo, como se muestra en la gráfica en pantalla de las tasas de reacción condicionada en función de la sesión o bloque de pruebas, para evaluar el progreso del entrenamiento y la dinámica de aprendizaje. Finalmente, realice el análisis de primado profundo según las instrucciones de la parte escrita del protocolo. Un índice de sensibilidad con el primado profundo mayor a uno puede utilizarse como criterio umbral para la discriminación exitosa; las latencias de respuesta durante las pruebas con estímulo condicionado positivo se representan aquí por prueba individual. En todas las sesiones de entrenamiento, todas las respuestas con latencias por debajo de segundos corresponden a respuestas acertadas exitosas.

Los histogramas de latencias de respuesta son bimodales, correspondientes a respuestas HIIT en menos de seis segundos y respuestas de escape entre seis y ocho segundos. Este es un ejemplo típico de un potencial evocado eléctricamente o EEP de un solo animal, promediado a través de ensayos con estímulo condicionado positivo en una sola sesión de entrenamiento; el EEP se muestra antes de la eliminación de los artefactos del estímulo de pulso único en negro, y después de la eliminación de los artefactos en rojo. El pico negativo temprano prominente conocido como N20 puede observarse a una latencia de 20 milisegundos.

Esta figura muestra un análisis adicional de las distribuciones espaciales de las dos amplitudes cero de N en respuesta a un estímulo condicionante positivo en el electrodo de estimulación rostral en el panel superior, y a un estímulo condicionante negativo en el electrodo de estimulación caudal. En el panel inferior, se revela la resolución espacial de los estados evocados en todo el cortex auditivo. Al realizar este procedimiento, es importante recordar que la conexión a tierra del piso de la rejilla es fundamental para obtener grabaciones electrofisiológicas de alta calidad, así como para una correcta administración de la estimulación eléctrica tras seguir este procedimiento.

Otros métodos como las manipulaciones optogenéticas y farmacológicas pueden incluirse en el protocolo para investigar tipos celulares específicos y sistemas de transmisores en la circuitería cortical durante la percepción y el aprendizaje. Esta técnica allana el camino para que los investigadores del campo pasen de una descripción meramente correlativa a una descripción más causal del papel de la dinámica neuronal en las funciones de aprendizaje y memoria.