知覚と学習を研究するためのツールと​​しての電気生理学的皮質の記録と刺激と組み合わせたシャトル・ボックストレーニング

本実験の目的は、学習時におけるニューラルマスアクションおよびニューロダイナミクスを評価し、操作することです。まず、聴覚皮質において部位特異的な同時刺激および神経活動の記録を可能にするマルチ電極アレイを植え込みます。次に、電極を植え込んだ動物を、聴覚皮質の持続的な神経活動を記録しながら、皮質内微小刺激による条件付けを用いたgo/no-goパラダイムに基づき、2区画シャトルボックスで訓練します。

次に、学習行動および学習に関連する時空間的活動パターンの解析を、試行ごとにオフラインで実施します。その結果、部位特異的な皮質微小刺激を用いて、内部の主観的な認知状態を特徴付ける時空間的活動パターンを誘発できることが示されます。これにより、本手法は皮質回路の活動パターンと、観察された学習および知覚の行動状態との間の関連性を構築します。

ここで述べた手法は、個々の皮質活動パターンを定義された行動および認知状態に関連付けることが可能であるだけでなく、電気刺激によって、異なる行動に関連付けられた定義済みの知覚を誘発できることを示しています。これらの知見を拡張することで、失われた感覚機能に対する神経義体による代替の開発へと繋がります。この手法は、ラットやマウスなどの他のげっ歯類にも適用可能です。

一般的に、この手法に不慣れな者は、これらの学習実験から良好な結果を得るために、動物のハンドリングおよびトレーニングに関する経験と十分に確立された基準が必要となるため、困難を伴うでしょう。まず、刺激用のマルチチャンネル電極アレイを調製し、それを聴覚皮質に外科的に移植します。プロトコルの記述セクションにある指示に従い、動物が手術から完全に回復した後にのみ、残りの手順を開始します。

硬膜外表面アレイは、電極間距離が約600 µmの3×6マトリックス状に配置されたステンレス鋼線で構成されています。ヘッドステージアンプを記録用ケーブルに接続します。動物による噛みつきなどの損傷から接続部を保護するため、金属メッシュで包まれた細いフレキシブルケーブルのハーネスを使用してください。

信号対雑音比（S/N比）とバンドパスを向上させるため、シールドボックス内のプリアンプを使用します。局所電位（LFP）記録のために、目的の周波数範囲で信号をフィルタリングします。2～300 Hzのフィルターを用い、1 kHz以上のサンプリング周波数でデータをサンプリングします。活動電位の記録には、少なくとも40 kHzのサンプリング周波数と300～4,000 Hzのフィルターを使用してください。

行動試験を開始するには、音響および電気的に遮蔽されたチャンバー内でシャトルボックスを使用します。ボックスはハードルで区切られた2つのコンパートメントで構成されています。ハードルの高さは、反応の行動バイアスに影響するため、特定の種に適した高さに設定してください。

被験動物を記録および刺激ケーブルに接続した後、動物を緩やかにトレーニングチャンバーに入れ、セッション開始前の3分間、順化させる。順化段階におけるすべての区画移動を記録する。トレーニング開始前に、記録の品質を慎重に確認する。信号にオンライン高速フーリエ変換フィルタを適用し、50 hertzのノイズ振幅を決定する。

最後に、ヘッドコネクタ、アダプタ、ヘッドステージ、ケーブルハーネス、およびアンプのすべての接続を再確認します。マルチチャンネル刺激装置を用いて、条件付け刺激として刺激電極に皮質内微小刺激を与えます。条件付け刺激を与えた後、グリッドフロアを介して足への電気ショック（非条件刺激）を与えます。このとき、ショックの強度は嫌悪感を与えるものであるが、苦痛を伴わないレベルであることを確認してください。

ここに示されている通りです。微細な行動によって修正を行うため、無条件刺激のないブランク試行と条件刺激を試行間に交互に提示します。条件刺激の提示後、4秒というクリティカルな時間枠内にコンパートメントの変化が認められた場合をヒット反応として分類します。

条件刺激に対する条件反応がクリティカルタイムウィンドウ内に起こらなかった場合は、直ちに6～10秒間の弱な足底電気刺激を与えます。この無条件刺激を、条件刺激のネガティブ試行におけるミスとして分類します。クリティカルタイムウィンドウ内でのコンパートメント移動は、誤警報反応として分類されます。この不適切な条件反応の直後に、最大10秒間まで無条件刺激を適用してください。

動物がクリティカルタイムウィンドウ中にコンパートメント内に留まった場合、条件付け刺激のネガティブ試行後に足電気ショックの非条件付け刺激を与えないでください。これを正解拒否（correct rejection）として分類します。実験全体が完了した後、刺激電極アレイの安定した位置を確認するため、外科的麻酔を施し、すべての刺激チャネルを通じて単極カソード電流を流し、植込み部位の組織に鉄沈着を形成させます。脱出潜時をオンラインで注意深く測定し、脱出潜時が2秒を超える場合は、足電気ショックの強度を段階的に上げてください。

訓練データを分析するための最初の20回の試行後、画面に表示されている通りに、条件刺激陽性試行および条件刺激陰性試行の条件付け反応率を算出します。訓練の進捗と学習ダイナミクスを評価するために、セッションまたは試行ブロックの関数として条件付け反応率をプロットしてください。最後に、プロトコルの書面部分の指示に従ってd'（ディーププライム）分析を行います。d'が1を超える感度指数を、識別成功の閾値基準として使用できます。条件刺激陽性試行における個々の試行の反応潜時をここにプロットします。すべての訓練セッションにおいて、潜時が数秒以下のすべての反応は、成功したヒット反応として対応付けられます。

反応潜時のヒストグラムは、6秒未満のHIIT反応と6秒から8秒のエスケープ反応に対応する二峰性を示しています。これは、1回のトレーニングセッションにおける条件刺激陽性試行で平均化した、単一個体からの電気誘発電位（EEP）の典型的な例です。EEPは、単一パルス刺激アーティファクトを除去する前を黒色で、除去後を赤色で示しています。N20として知られる初期の顕著な陰性ピークが、20ミリ秒の潜時に確認できます。

この図は、上段において吻側刺激電極への正条件刺激に対する、また下段において尾側刺激電極への負条件刺激に対する、N20振幅の空間分布のさらなる解析を示しています。下段では、聴覚皮質全体における誘発状態の空間解像度が明らかになります。この手順を試みる際は、高品質な電気生理学的記録および適切な電気刺激の送達を得るために、グリッドフロアの接地が極めて重要であることに留意してください。

知覚および学習時における皮質回路内の特定の細胞型や神経伝達物質システムを調べるため、光遺伝学的または薬理学的な操作などの他の手法をプロトコルに組み込むことができます。本手法は、この分野の研究者が、神経ダイナミクスが学習および記憶機能に果たす役割について、単なる相関関係の記述からより因果的な記述へと移行するための道を切り開くものです。