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
2015年10月22日
シャトルボックス回避学習、行動神経科学においてよく確立されています。このプロトコルは、げっ歯類での学習シャトルボックスは、サイト固有の電気皮質内微小刺激（ICMS）と学習と知覚の複数の側面を研究するためのツールとして、in vivoでの録音での同時慢性と組み合わせることができる方法について説明します。
次の実験の全体的な目標は、学習中の神経質量の作用と神経力学を評価し、操作することです。これは、最初に、聴覚皮質のニューロン活動の部位特異的な同時刺激と記録を可能にするマルチ電極アレイを埋め込むことによって達成されます。移植された第 2 ステップとして、動物は 2 コンパートメントのシャトル ボックスで、聴覚皮質で進行中のニューロン活動を記録し、皮質内の微小刺激をコンディショニングに使用しながら、行かないパラダイムで訓練されます。
次に、学習行動と学習に関連する時空間活動パターンの分析を、オフラインで試行逐して行います。この結果は、部位特異的な皮質微小刺激を使用して、内部の主観的な認知状態を特徴付けることを可能にする時空間活動パターンを呼び起こす方法を示しています。これにより、この方法は、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リンクを確立します。
ここで述べる技術は、個々の皮質活動パターンを定義された行動状態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、電気的シミュレーションによって異なる行動に関連付けることができる定義された知覚を喚起することも可能であることを示している。この発見の拡張は、失われた感覚機能の神経補綴代替品の開発に向かっています。この方法は、ラットやマウスなどの他のげっ歯類にも適用できます。
一般的に、この方法に不慣れな個人は、これらの学習実験から良い結果を得るためには、動物の取り扱いと訓練の経験と十分に発達した基準が必要であるため、苦労するでしょう。最初に刺激性マルチチャネル電極アレイを調製し、次に聴覚皮質に外科的に埋め込みます。プロトコルの書面による部分の指示に従って、残りの手順は、動物が手術から完全に回復した後にのみ開始されます。
硬膜外表面アレイは、電極間距離が約600ミクロンの3×6マトリックスに配置されたステンレス鋼線から作られています。ヘッドステージを差し込みます amplifier録音ケーブルに。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、動物を噛むことによる損傷から接続を保護します。
シールドボックス内のプリアンプを使用して、信号対雑音比とバンドパスを増やします。信号を目的の周波数範囲でフィルタリングして、ローカルフィールド電位記録を行います。2〜300ヘルツのフィルタを使用した1キロヘルツ以上のサンプリング周波数でのサンプリングデータ 活動電位の記録には、少なくとも40キロヘルツのサンプリング周波数と300〜4,000ヘルツのフィルタを使用します。
行動テストを開始するには、音響および電気シールドチャンバー内のシャトルボックスを使用します。ボックスには、ハードルで区切られた2つのコンパートメントが含まれています。ハードルの高さは反応の行動バイアスに影響を与えるため、特定の種に適したハードルの高さを使用してください。
テストする動物を記録および刺激ケーブルに接続した後、動物をトレーニングチャンバーにそっと置き、セッション開始の3分間前に順応させ、順応フェーズのすべてのコンパートメントの変更を記録します。トレーニングを開始する前に、録音の品質を注意深く確認してください。オンラインの高速フーリエ変換フィルターを信号に適用して、50 ヘルツのノイズの振幅を決定します。
最後に、ヘッドコネクタ、アダプター、ヘッドステージ、ケーブルハーネス、およびアンプ間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使用して、皮質内微小刺激を刺激電極に送達し、コンディショニング刺激を行います。条件付けされた刺激を配信し、次にグリッドフロアを介して足の衝撃の無条件の刺激を配信し、配信されたショックの強さが嫌悪的であるが、痛みを伴わないことを確認します。
ここに示すように。無条件の刺激を使わずに空白の試練を提示し、微妙な振る舞いで修正するために、試練の間に条件刺激を挟みます。条件刺激が 4 秒の重要な時間枠内で開始された後のコンパートメントの変化をヒット応答として分類します。
臨界時間内に条件付けされた刺激に反応して条件反応が起こらない場合は、すぐに6〜10秒間軽度の足のショックを与えます。.無条件刺激はこれを条件刺激ネガティブトライアルのミスとして分類するため、臨界時間枠内のコンパートメントの変更は誤警報応答として分類されます。この不適切な条件付け反応の直後に、無条件の刺激を最大10秒間適用します。
動物が重要な時間枠の間にコンパートメントにとどまるとき、条件付けされた刺激の否定的な試験の後に足の衝撃無条件の刺激を適用しないでください。実験全体が刺激電極アレイの安定した位置を完全に制御し、外科的麻酔を提供し、その後、すべての刺激チャネルを通じて供給される単極性カタルシス電流を印加して、移植位置の組織に鉄沈着物を得た後、これを正しい拒絶として分類します。慎重にエスケープの待ち時間が2秒より長い場合は、足の衝撃強度ステップの増加した足の遅延をオンラインで決定します。
トレーニング データを分析するための最初の 20 回の試行の後、トレーニングの進行状況と学習ダイナミクスを評価するためのセッションまたは試行ブロックの関数として、スクリーン プロットに示されているように、条件付け刺激の陽性試行と条件付け刺激の否定的な試行の条件反応率を計算します。最後に、プロトコルの書かれた部分の指示に従って、ディーププライム解析を実行します。複数のディーププライムを持つ感度指数は、条件刺激中の成功した識別応答レイテンシのしきい値基準として使用できます ポジティブトライアルは、個々の試行に対してここにプロットされています すべてのトレーニングセッションで、レイテンシが秒未満のすべての応答は、成功したヒット応答に対応します。
応答レイテンシのヒストグラムは、6 秒未満の HIIT 応答と 6 秒から 8 秒のエスケープ応答に対応する二峰性です。これは、訓練の1回のセッションで条件刺激陽性試験全体で平均化された単一動物からの電気的に誘発された電位またはEEPの典型的な例であり、EEPは、単一パルス刺激アーティファクトの除去前は黒で、アーチファクトの除去後に赤で示されています。N two zeroとして知られる初期の顕著な負のピークは、20ミリ秒のレイテンシで見ることができます。
この図は、トップパネルの吻側刺激電極での正の状態の刺激と、コドル刺激電極での負の条件刺激に対する応答のN 2ゼロ振幅の空間分布のさらなる分析を示しています。下のパネルでは、聴覚皮質全体の誘発された状態の空間分解能が明らかになっています。この手順を試みる際には、グリッドフロアの接地が高品質の電気生理学的記録、およびこの手順に続く電気刺激の適切な送達を得るために重要であることを覚えておくことが重要です。
光遺伝学的および薬理学的操作のような他の方法は、知覚および学習中の皮質回路内の特定の細胞タイプおよび伝達システムを調査するために、プロトコルに含めることができる。この手法は、この分野の研究者が、学習機能と記憶機能に対するニューロンダイナミクスの役割について、単なる相関関係からより因果的な説明への道を開きます。
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概要
この研究は、体内記録と組み合わせた部位特異的皮質内マイクロ刺激（ICMS）を統合し、げっ歯類のシャトルボックス回避学習を調査します。このアプローチは、学習中の皮質活動パターンと行動状態の関係を探ることを目的としています。
主要な研究構成要素
科学の分野
- 行動神経科学
- 神経ダイナミクス
- 学習と知覚
背景
- シャトルボックス回避学習は、行動神経科学で確立された方法です。
- 部位特異的ICMSにより、ニューロン回路の標的刺激が可能になります。
- 神経活動と行動の関連性を理解することは、認知プロセスへの洞察に不可欠です。
- この研究では、げっ歯類の学習行動を評価するためにgo no-goパラダイムを使用しています。
研究目的
- 学習中のニューラルマスアクションを評価し操作すること。
- 皮質活動パターンを通じて内部の認知状態を特徴づけること。
- 観察された行動と神経ダイナミクスの関連を確立すること。
使用された方法
- 刺激と記録のための多電極アレイの埋め込み。
- 二室式シャトルボックスでの動物のトレーニング。
- 聴覚皮質における進行中のニューロン活動の記録。
- 試行ごとの学習行動と時空間活動パターンの分析。
主な結果
- 部位特異的な皮質マイクロ刺激は、明確な時空間活動パターンを引き起こします。
- これらのパターンは、学習中の行動状態と相関しています。
- この方法は、神経活動に基づいて認知状態への洞察を提供します。
- 結果は、学習と知覚の研究におけるICMSの可能性を示しています。
結論
- ICMSは、皮質活動と行動結果を関連付ける貴重なツールです。
- このアプローチは、脳内の学習メカニズムの理解を深めます。
- 将来の研究は、これらの発見を基に認知プロセスをさらに探求することができます。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Integrating shuttle-box avoidance learning with intracortical microstimulation and electrophysiological recording enables direct interrogation of neural circuit function during behavioral adaptation. This approach provides mechanistic insight into perception and learning, supporting predictive confidence in target validation and de-risking of neurobiological hypotheses. The method is positioned to inform early discovery and translational neuroscience portfolios by linking circuit-level activity to observable behavioral outcomes.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables functional validation of neural circuits implicated in perception and learning.
- Supports mechanistic de-risking by correlating specific cortical activation patterns with behavioral responses.
- Facilitates hypothesis-driven interrogation of afferent, efferent, and intracortical pathways.
- Provides quantitative endpoints for evaluating target engagement and circuit modulation.
Screening & Assay Development
- Establishes validated behavioral paradigms for assessing neuroactive compounds in vivo.
- Delivers reproducible, quantitative readouts of learning performance and neural activity.
- Enables assay standardization through defined stimulation and recording protocols.
- Prepares robust systems for downstream screening of candidate interventions.
Translational & Preclinical Research
- Aligns neural circuit manipulation with disease-relevant behavioral endpoints.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation in rodent models.
- Enables risk-adjusted advancement decisions based on functional and behavioral biomarkers.
- Provides a platform for evaluating neuroprosthetic strategies for sensory substitution.
Pipeline & Workflow Integration
This combined behavioral and electrophysiological approach bridges early discovery, target validation, and preclinical research by enabling causal testing of neural circuit function in learning paradigms.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by linking stimulation-evoked activity to behavioral outcomes.
- Screening: Provides quantitative, reproducible measures of learning and perception for compound evaluation.
- Analytics: Delivers trial-by-trial behavioral and electrophysiological data for robust statistical comparison.
- Translational Research: Facilitates alignment of neural circuit endpoints with disease-relevant behaviors.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable platform adaptable to multiple rodent species and experimental questions.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in neural target validation and reduces mechanistic ambiguity.
- Operational Value: Standardizes behavioral and electrophysiological workflows for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and enhances capital efficiency by providing early functional readouts.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of neurobiological targets and interventions.
Implementation Considerations
- Requires expertise in animal handling, surgical implantation, and behavioral training.
- Demands specialized instrumentation for multi-channel stimulation and high-fidelity electrophysiological recording.
- Necessitates rigorous cross-team standardization of protocols and data analysis.
- Adaptable across rodent species with consideration for species-specific behavioral parameters.
- Dependent on stable electrode placement and high-quality signal acquisition for reliable outputs.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
2:03
In-Vivo Electrophysiological Recordings in Learning Animals
3:10
Two-Way Shuttle-Box Avoidance Using Intracortical Microstimulation as the Conditioned Stimulus
5:47
Analysis of Shuttle-Box Data
6:36
Results: Response Latencies and Parallel Electrophysiological Recording in a Learning Animal
7:51
Conclusion
