Registrazione di potenziali d'azione singoli neuroni 'di muoversi liberamente Piccioni attraverso tre fasi di apprendimento

L'obiettivo generale del seguente esperimento è caratterizzare i modelli di risposta di singoli neuroni. Mentre il soggetto sperimentale esegue un compito di discriminazione visiva che prevede acquisizione, estinzione e riacquisizione delle risposte condizionate. Inizialmente, un soggetto esperto viene addestrato a produrre una tra due possibili risposte di scelta in seguito alla presentazione di uno tra due diversi stimoli visivi.

Dopo che l'animale esegue in modo affidabile una discriminazione rispondendo in modo casuale a uno dei due stimoli, a tale risposta non segue più alcun rinforzo. Una volta che la risposta condizionata a questo stimolo si è deteriorata, le risposte vengono nuovamente rinforzate in modo continuo, portando a un rapido recupero della risposta stessa. I risultati mostrano che i modelli di risposta dei singoli neuroni cambiano gradualmente mentre l'animale è impegnato nel compito di apprendimento.

Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti consiste nell'implementazione di diverse fasi di apprendimento in un'unica sessione della durata di poche ore. Ciò permette di tracciare i potenziali d'azione di singoli neuroni nel corso dell'apprendimento. Questo metodo può fornire informazioni sui meccanismi alla base del comportamento operante adattativo a livello di singola cellula.

Per iniziare la formazione automatica, posizionare un piccione in una camera di prova allestita come descritto nel protocollo testuale allegato. Presentare quindi un segnale visivo di inizializzazione della durata di cinque secondi sul tasto centrale. Immediatamente al termine del segnale di inizializzazione o dopo un singolo becco sul tasto di risposta, a seconda di quale evento si verifichi per primo, spegnere l'illuminazione del tasto e somministrare la ricompensa alimentare attivando il contenitore del cibo per due secondi.

Mantenere l'intervallo tra i tentativi più lungo della presentazione dello stimolo. Tempo necessario per facilitare l'apprendimento. Lo stimolo di inizializzazione verrà riutilizzato come conferma di inizializzazione e tasto di scelta nell'ultima attività.

Una volta che l'animale risponde in almeno l'85% delle prove, ridurre progressivamente l'intervallo tra le prove fino a 10 secondi e il tempo di presentazione fino a due secondi. Aumentare il numero di risposte richieste per il rinforzo a tre. Aumentare il numero totale di prove al giorno in modo che l'animale venga addestrato per circa un'ora.

Ripetere questi passaggi di addestramento per i tasti di risposta sinistro e destro fino a quando la risposta allo stimolo di inizializzazione viene ottenuta in modo affidabile per tutti i tasti. Alternare casualmente le prove per i tasti sinistro, destro e centrale; presentare ora lo stimolo di inizializzazione prima al centro e, dopo aver ottenuto una risposta, presentare lo stimolo di inizializzazione a uno dei tasti laterali. Non rinforzare la risposta al tasto centrale.

Alterna in modo casuale da prova a prova quale tasto laterale viene rinforzato. Se non c'è risposta al tasto centrale entro cinque secondi, termina la prova. Questa fase di addestramento richiede circa tre giorni a partire dall'inizializzazione dello STI.

Presentare due nuovi stimoli, che in seguito fungeranno da stimoli familiari nel compito finale, e ripetere i passaggi di autos-formation con questi stimoli per ottenere una risposta agli stimoli familiari. La formazione sui nuovi stimoli di solito produce risposte corrette entro quattro giorni. Illuminare soltanto il tasto di scelta, che è corretto per lo specifico stimolo familiare.

Questa fase dell'addestramento dovrebbe richiedere circa una settimana, una volta che il soggetto esegue in modo affidabile almeno l'85% delle risposte verso il tasto laterale corretto. Introdurre prove con scelta libera in cui entrambi i tasti laterali sono illuminati durante la fase di scelta. La risposta verso il lato corretto viene rinforzata con l'asse del cibo per due secondi.

Alle risposte errate segue lo spegnimento delle luci ambientali per due secondi. Se entro tre secondi non viene fornita alcuna risposta, configurare il programma per terminare la prova e riavviare l'intervallo inter-trial. Questa fase dell'addestramento dovrebbe durare circa due settimane.

Aumentare gradualmente la frazione di prove a scelta libera dal 20% al 100% nel corso dell'addestramento. Se il soggetto raggiunge un'accuratezza superiore al 90% nelle prove a scelta libera, ridurre la probabilità di ricompensa per le risposte corrette a 0,5 aumentando contemporaneamente il numero di prove per sessione a 1000. Non modificare i parametri ogni giorno, ma sceglierli in modo flessibile.

In base al livello di prestazione del soggetto. Questa fase di addestramento dura circa quattro settimane. I piccioni sono per natura neofobici e mostreranno riluttanza a beccare stimoli sconosciuti.

Pertanto, ripetere la formazione automatica per un'ampia gamma di stimoli visivi diversi. Una volta completato l'addestramento, è possibile eseguire l'ultima prova di scelta forzata a singolo intervallo con stimoli nuovi in diverse condizioni di rinforzo. Durante la fase di riscaldamento, consentire al soggetto di eseguire 50 prove con stimoli familiari.

Impostare la probabilità di ricompensa per questi stimoli a un valore inferiore a uno soltanto durante tutte le fasi, per evitare la perdita di motivazione a rispondere durante la fase di acquisizione. Alternare casualmente le prove presentando stimoli familiari e nuovi, assegnando tasti di risposta diversi come corretti per i due stimoli nuovi e rinforzando ogni risposta corretta. Calcolare la percentuale di risposte corrette come media mobile delle ultime 120 prove.

L'acquisizione è completata quando la prestazione per ogni nuovo stimolo supera l'85% dopo che sono state eseguite almeno 150 prove durante la fase di estinzione. Interrompere il rinforzo delle risposte corrette e la punizione delle risposte errate per un nuovo stimolo casuale. Iniziare la fase di richiesta quando la risposta è corretta.

La risposta allo stimolo di estinzione scende al di sotto del 60% e l'animale ha completato almeno 150 prove in totale in questa fase. Durante la fase di riacquisizione, rinforzare le risposte corrette e punire quelle errate allo stimolo di estinzione, come fatto durante la fase di acquisizione. Terminare la sessione quando la prestazione per questo stimolo supera l'85% e l'animale ha eseguito almeno 150 prove in questa fase.

Impiantare gli elettrodi. Una volta che gli animali hanno completato più volte l'intero processo di acquisizione, estinzione e ri-acquisizione, utilizzare una nuova coppia di stimoli ogni sessione e avanzare gli elettrodi di almeno 125 micrometri o di mezzo giro della vite micrometrica prima di iniziare. Se non vengono osservati potenziali d'azione con un rapporto segnale-rumore sufficiente, interrompere la sessione e posizionare l'animale nella homepage prima di riprovare il giorno successivo.

Utilizzando il software di analisi offline Ban, applicare un filtro passa-banda a tutti i canali da 500 a 5.000 hertz con attenuazioni ripide, estrarre i potenziali di azione mediante soglie di ampiezza e ordinarli manualmente mediante analisi delle componenti principali. Il codice MATLAB sviluppato ad hoc per l'ordinamento dei risultati è disponibile presso il centro di scambio file di MATLAB. Un'unità singola ben isolata deve corrispondere a un cluster chiaramente separato.

Nello spazio delle componenti principali non si osservano segni di unità multiple quando tutte le lunghezze d'onda registrate vengono sovrapposte e rappresentate come mappa termica. Presentano ampiezze d'onda del picco distribuite simmetricamente e una registrazione stabile per tutta la sessione, come dimostrato dall'ampiezza costante del picco, con nessun evento di picco o con un numero molto ridotto di eventi che si verificano durante il periodo refrattario dell'evento precedente. Spike e un rapporto segnale-rumore di almeno due.

Esaminare offline i canali grezzi alla ricerca di artefatti legati ai movimenti e scartare eventuali canali se necessario. Verificare la presenza di possibili artefatti elettrici che si verificano durante i colpi ai tasti. Esaminando l'istogramma temporale dei conteggi degli eventi rispetto a ciascun colpo registrato al tasto.

Gli artefatti indotti dal beccare appariranno come un picco nell'istogramma entro 50 millisecondi di tempo, con zero come grafico di controllo aggiuntivo. Le forme d'onda di tutti gli eventi di picco registrati entro 20 millisecondi da un tasto vengono raggruppate separatamente e confrontate con le forme d'onda dei picchi rilevati al di fuori di questa finestra temporale. Questi dati comportamentali, relativi a un animale che esegue il compito di scelta forzata a singolo intervallo, mostrano scelte corrette al 100% fin dall'inizio dell'addestramento per il nuovo stimolo uno, e raggiungimento del livello di prestazione richiesto per il nuovo stimolo due entro 180 prove in questa sessione; il nuovo stimolo due è stato scelto casualmente per subire l'estinzione, il che significa che tutte le scelte successive a questo stimolo non vengono più ricompensate né puniti durante la fase di estinzione.

Le prestazioni diminuiscono per lo stimolo di estinzione, ma rimangono elevate per l'altro stimolo nuovo. Il livello criterio per l'estinzione viene raggiunto al tentativo 370, quando risposte corrette e incorrette vengono nuovamente rinforzate e punite durante la richiesta. Il criterio di prestazione dell'85% viene raggiunto al tentativo 402.

Il modello di risposta di un'unità nel nucleo pallido del cervelletto registrato lateralmente mentre un animale stava eseguendo un compito. Questo compito mostra una modulazione della risposta durante la presentazione di uno stimolo nuovo. Nella fase di acquisizione, le unità rispondono in modo intenso allo stimolo nuovo. Due.

All'inizio dell'apprendimento, vi è una lieve variazione nell'attività di scarica durante le fasi di estinzione e riacquisizione. Vi è inoltre una scarsa risposta a stimoli nuovi. Uno durante la sessione.

Un'altra unità risponde durante movimenti verso destra ma non verso sinistra, suggerendo una codifica sensoriomotoria. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come addestrare gli animali passo dopo passo a eseguire la prova finale di scelta forzata ad intervallo singolo con contingenze di rinforzo dinamiche. Questa tecnica indicherà la strada ai ricercatori nel campo dell'apprendimento e della memoria per esplorare la riorganizzazione delle reti neurali durante diversi tipi di apprendimento a livello di singola cellula.