Combinato Shuttle-Box Training con elettrofisiologiche Cortex registrazione e stimolazione come strumento per studiare percezione e apprendimento

Shuttle-box apprendimento evitamento è ben consolidata in neuroscienze comportamentali. Questo protocollo descrive come navetta-box di apprendimento nei roditori può essere combinata con microstimolazione site-specific elettrica intracorticale (ICMS) e croniche simultanea nelle registrazioni vivo come strumento per studiare molteplici aspetti dell'apprendimento e della percezione.

L'obiettivo generale del seguente esperimento è quello di valutare e manipolare l'azione della massa neurale e la neurodinamica durante l'apprendimento. Ciò si ottiene impiantando prima array di più elettrodi che consentono la stimolazione simultanea sito-specifica e la registrazione dell'attività neuronale nella corteccia uditiva. Come seconda fase dell'impianto, gli animali vengono addestrati in una scatola navetta a due compartimenti in un paradigma go no-go, registrando l'attività neuronale in corso nella corteccia uditiva e utilizzando la microstimolazione intracorticale per il condizionamento.

Successivamente, l'analisi del comportamento di apprendimento e dei modelli di attività spazio-temporali correlati all'apprendimento viene eseguita prova per prova offline. I risultati mostrano come la microstimolazione corticale sito-specifica possa essere utilizzata per evocare modelli di attività spazio-temporale che consentono di caratterizzare gli stati cognitivi soggettivi interni. In tal modo questo metodo stabilisce collegamenti tra i modelli di attività del circuito corticale e gli stati comportamentali osservati di apprendimento e percezione.

Le tecniche qui descritte dimostrano che non solo è possibile mettere in relazione i singoli modelli di attività corticale con stati comportamentali e cognitivi definiti, ma che è anche possibile evocare mediante simulazione elettrica percezioni definite che possono essere associate a comportamenti diversi. L'estensione di questi risultati è verso lo sviluppo della sostituzione neuroprotesica per la funzione sensoriale perduta. Questo metodo può essere applicato anche ad altre specie di roditori come ratti e topi.

In generale, gli individui nuovi a questo metodo avranno difficoltà perché sono necessari esperienza e standard ben sviluppati nella gestione e nell'addestramento degli animali per ottenere buoni risultati da questi esperimenti di apprendimento. In primo luogo, vengono preparati array di elettrodi multicanale stimolatori e quindi impiantati chirurgicamente nella corteccia uditiva. Secondo le istruzioni nella parte scritta del protocollo, il resto della procedura inizia solo dopo che gli animali si sono completamente ripresi dall'intervento chirurgico.

Gli array di superficie epidurale sono realizzati con filo di acciaio inossidabile disposto in una matrice tre per sei con una distanza tra gli elettrodi di circa 600 micron. Collegare l'amplificatore dello stadio principale al cavo di registrazione. Utilizzare un'imbracatura di cavi flessibili sottili avvolti da una rete metallica per proteggere la connessione dai danni causati da morsi di animali.

Utilizzare un preamplificatore nella scatola schermata per aumentare il rapporto segnale/rumore e il passa-banda. Filtrare il segnale nella gamma di frequenza desiderata per le registrazioni di potenziale di campo locale. Campionamento dei dati a una frequenza di campionamento superiore a un kilohertz con un filtro da due a 300 hertz Per le registrazioni del potenziale d'azione, utilizzare una frequenza di campionamento di almeno 40 kHz e un filtro da 300 a 4.000 hertz.

Per iniziare il test comportamentale, utilizzare una scatola navetta in una camera schermata acusticamente ed elettricamente. La scatola contiene due scomparti separati da un transennamento. Utilizzare altezze degli ostacoli appropriate per specie specifiche poiché l'altezza dell'ostacolo influenza il bias comportamentale della risposta.

Dopo aver collegato l'animale da testare al cavo di registrazione e stimolazione, posizionare delicatamente l'animale nella camera di addestramento e lasciarlo abituare per tre minuti prima dell'inizio di una sessione, registrare tutti i cambiamenti di scomparto nella fase di assuefazione. Controllare attentamente la qualità della registrazione prima dell'inizio dell'allenamento. Applica un filtro di trasformata di Fourier veloce online al segnale per determinare l'ampiezza del rumore a 50 hertz.

Infine, ricontrolla tutti i collegamenti tra il connettore della testa, gli adattatori, gli stadi della testa, il cablaggio e gli amplificatori. Utilizzare uno stimolatore multicanale per erogare la microstimolazione intracorticale agli elettrodi di stimolazione per la stimolazione condizionata. Erogare lo stimolo condizionato e quindi erogare lo stimolo incondizionato dello shock del piede attraverso il pavimento della griglia, assicurarsi che la forza dello shock erogato sia avversiva, ma non dolorosa.

Come si vede qui. Presentare prove in bianco senza stimolo incondizionato e stimolo condizionale intervallato tra le prove al fine di correggere attraverso un comportamento sottile. Classificare un cambiamento del compartimento dopo l'insorgenza degli stimoli condizionati entro una finestra temporale critica di quattro secondi come risposta al colpo.

Se non si verifica una reazione condizionata in risposta allo stimolo condizionato entro la finestra temporale critica, erogare immediatamente una leggera scossa al piede per sei-10 secondi. Poiché lo stimolo incondizionato classifica questo come un fallimento per le prove negative allo stimolo condizionato, un cambiamento di compartimento all'interno della finestra temporale critica è classificato come una risposta di falso allarme. Applicare lo stimolo incondizionato per un massimo di 10 secondi immediatamente dopo questa risposta condizionata inappropriata.

Non applicare lo stimolo incondizionato con shock del piede dopo prove negative di stimolo condizionato quando l'animale rimane nel compartimento durante la finestra temporale critica. Classificare questo come rigetto corretto dopo l'intero esperimento è il controllo completo per la posizione stabile dell'array di elettrodi di stimolazione, fornendo l'anestesia chirurgica e quindi applicando la corrente catartica monopolare erogata attraverso tutti i canali di stimolazione per ottenere depositi di ferro nel tessuto nella posizione di impianto. Determinare attentamente le latenze di fuga online aumento della forza d'urto del piede passo se le latenze di fuga sono più lunghe di due secondi.

Dopo le prime 20 prove per analizzare i dati di allenamento, calcolare i tassi di reazione condizionata per le prove di stimolo condizionato positivo e stimolo condizionato negativo, come mostrato sullo schermo, tracciare i tassi di reazione condizionati in funzione della sessione o del blocco di prova per valutare i progressi dell'allenamento e le dinamiche di apprendimento. Infine, eseguire un'analisi primaria approfondita secondo le istruzioni nella parte scritta del protocollo. Un indice di sensibilità con il primo profondo di più di uno può essere utilizzato come criterio di soglia per il successo delle latenze di risposta alla discriminazione durante gli stimoli di condizione Le prove positive sono tracciate qui per le prove individuali Durante tutte le sessioni di allenamento, tutte le risposte con latenze inferiori ai secondi corrispondono alle risposte di successo al colpo.

Gli istogrammi delle latenze di risposta sono bimodali e corrispondono alle risposte HIIT a meno di sei secondi e alle risposte di fuga da sei a otto secondi. Questo è un tipico esempio di potenziale evocato elettricamente o EEP da un singolo animale mediato tra prove positive di stimolo di condizione in una singola sessione di addestramento, l'EEP viene mostrato prima della rimozione di artefatti di stimolo a impulsi singoli in nero e dopo la rimozione di artefatti in rosso. Il primo picco negativo prominente noto come N due zero può essere visto a una latenza di 20 millisecondi.

Questa figura mostra un'ulteriore analisi delle distribuzioni spaziali dell'ampiezza zero N due in risposta a uno stimolo di condizione positivo all'elettrodo di stimolazione rostrale nel pannello superiore e a uno stimolo di condizione negativa all'elettrodo di stimolazione a coccola. Nel pannello inferiore, questo rivela la risoluzione spaziale degli stati evocati in tutta la corteccia uditiva. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare che la messa a terra del pavimento della griglia è fondamentale per ottenere una registrazione elettrofisiologica di alta qualità, nonché una corretta erogazione della stimolazione elettrica A seguito di questa procedura.

Altri metodi, come le manipolazioni optogenetiche e farmacologiche, possono essere inclusi nel protocollo per studiare specifici tipi di cellule e sistemi trasmettitori nei circuiti corticali durante la percezione e l'apprendimento. Questa tecnica apre la strada ai ricercatori del settore da un mero correlativo a una descrizione più causale del ruolo delle dinamiche neuronali per le funzioni di apprendimento e memoria.