인식 및 학습을 연구하는 도구로 전기 생리 텍스 녹화 및 자극과 셔틀 박스 교육을 결합
2015년 10월 22일
셔틀 박스 회피 학습은 행동 신경 과학에 잘 확립되어있다. 이 프로토콜은 설치류에서 학습 셔틀 상자가 사이트 별 전기 intracortical 미세 자극 (ICMS) 및 학습과 인식의 여러 측면을 연구하는 도구로 생체 내 녹음 동시 만성와 결합 할 수있는 방법에 대해 설명합니다.
다음 실험의 전반적인 목표는 학습 중 신경 질량 작용과 신경 역학을 평가하고 조작하는 것입니다. 이것은 청각 피질에서 뉴런 활동의 부위 특이적 동시 자극 및 기록을 허용하는 다중 전극 어레이를 먼저 이식함으로써 달성됩니다. 이식하는 두 번째 단계로, 동물들은 청각 피질에서 진행 중인 신경 활동을 기록하고 컨디셔닝을 위해 피질 내 미세 자극을 사용하면서 절대 가지 않는 패러다임으로 두 개의 구획 셔틀 박스에서 훈련을 받습니다.
다음으로, 학습행동 및 학습관련 시공간활동 패턴에 대한 분석은 오프라인에서 시험적으로 수행된다. 결과는 내부 주관적 인지 상태를 특성화할 수 있는 시공간 활동 패턴을 불러일으키기 위해 부위 특이적 피질 미세 자극을 사용하는 방법을 보여줍니다. 따라서 이 방법은 피질 회로 활동 패턴과 관찰된 학습 및 지각의 행동 상태 사이의 연결을 설정합니다.
여기에 설명된 기술은 개별 피질 활동 패턴을 정의된 행동 및 인지 상태와 관련시키는 것이 가능할 뿐만 아니라 다른 행동과 관련될 수 있는 전기 시뮬레이션에 의해 정의된 지각을 불러일으키는 것도 가능하다는 것을 보여줍니다. 이 연구 결과의 확장은 감각 기능 상실에 대한 신경 보철 대체의 개발로 확장됩니다. 이 방법은 쥐 및 생쥐와 같은 다른 설치류 종에도 적용될 수 있습니다.
일반적으로 이 방법을 처음 접하는 개인은 이러한 학습 실험에서 좋은 결과를 얻기 위해 동물을 다루고 훈련하는 데 대한 경험과 잘 발달된 표준이 필요하기 때문에 어려움을 겪을 것입니다. 먼저 자극성 다채널 전극 배열을 준비한 다음 외과적으로 청각 피질에 이식합니다. 프로토콜의 서면 부분에 있는 지침에 따르면, 나머지 절차는 동물이 수술에서 완전히 회복된 후에만 시작됩니다.
경막외 표면 어레이는 전극 간 거리가 약 600미크론인 3 x 6 매트릭스로 배열된 스테인리스 스틸 와이어로 만들어집니다. 헤드 스테이지 ampliifier를 녹음 케이블에 연결합니다. 금속 메쉬로 감싼 얇고 유연한 케이블 하네스를 사용하여 동물을 무는 것으로부터 연결부를 보호하십시오.
사전 사용 amp차폐 상자에 있는 liifier를 사용하여 신호 대 잡음비와 대역 통과를 증가시킵니다. 국소 전위 기록을 위해 원하는 주파수 범위에서 신호를 필터링합니다. 2-300헤르츠 필터를 사용하여 1킬로헤르츠 이상의 샘플링 주파수에서 데이터 샘플링 활동 전위 기록의 경우 최소 40킬로헤르츠의 샘플링 주파수와 300-4,000헤르츠 필터를 사용합니다.
동작 테스트를 시작하려면 음향 및 전기 차폐 챔버에서 셔틀 박스를 사용하십시오. 상자에는 장애물로 구분된 두 개의 구획이 있습니다. 장애물의 높이가 반응의 행동 편향에 영향을 미치므로 특정 종에 적합한 장애물 높이를 사용하십시오.
테스트할 동물을 기록 및 자극 케이블에 연결한 후 동물을 훈련실에 부드럽게 놓고 세션 시작 전에 3분 동안 익숙해지도록 하고 습관화 단계에서 모든 구획 변화를 기록합니다. 훈련을 시작하기 전에 녹음의 품질을 주의 깊게 확인하십시오. 신호에 온라인 고속 푸리에 변환 필터를 적용하여 50헤르츠 잡음의 진폭을 확인합니다.
마지막으로 헤드 커넥터, 어댑터, 헤드 스테이지, 케이블 하네스 및 증폭기 사이의 모든 연결을 다시 확인하십시오. 다중 채널 자극기를 사용하여 조절된 자극을 위해 자극 전극에 피질 내 미세 자극을 전달합니다. 조건화된 자극을 전달한 다음 그리드 바닥을 통해 발 충격의 무조건적인 자극을 전달하고, 전달되는 충격의 강도가 혐오스럽지만 고통스럽지 않은지 확인합니다.
여기에서 볼 수 있듯이. 무조건적인 자극이 없는 빈 임상시험을 제시하고, 미묘한 행동을 통해 교정하기 위해 임상시험 사이에 산재하는 조건 자극을 제시합니다. 조건화된 자극이 시작된 후 4초의 임계 시간 창 내에 구획 변경을 히트 반응으로 분류합니다.
임계 시간 내에 조건화된 자극에 대한 반응으로 조건반응이 일어나지 않으면 즉시 6-10초 동안 가벼운 발 충격을 가합니다. 무조건적 자극이 이를 조건적 자극 음성 시험에 대한 누락으로 분류하기 때문에 임계 시간 창 내의 구획 변경은 거짓 경보 응답으로 분류됩니다. 이 부적절한 조건 반응 직후 최대 10초 동안 무조건 자극을 가합니다.
동물이 임계 시간 동안 격실에 머물 때 조건 자극 음성 시험 후 발 충격을 무조건 자극을 가하지 마십시오. 전체 실험이 자극 전극 어레이의 안정적인 위치를 완전히 제어하고 외과적 마취를 제공한 다음 모든 자극 채널을 통해 전달되는 단극 카타르시스 전류를 적용하여 이식 위치의 조직에 철 침전물을 얻은 후 이를 올바른 거부로 분류합니다. 탈출 대기 시간이 2초 이상인 경우 온라인 탈출 대기 시간 증가, 발 충격 강도 단계를 신중하게 결정하십시오.
훈련 데이터를 분석하기 위한 처음 20번의 시도 후, 훈련 진행 상황 및 학습 역학을 평가하기 위한 세션 또는 시도 블록의 함수로 조건 반응 속도를 화면 플롯에 표시된 대로 조건화된 자극 양성 및 조건화된 자극 음성 시험에 대한 조건반응률을 계산합니다. 마지막으로, 프로토콜의 서면 부분에 있는 지침에 따라 딥 프라임 분석을 수행합니다. 하나 이상의 딥 프라임을 가진 민감도 지수는 조건 자극 중 성공적인 차별 반응 지연에 대한 임계값 기준으로 사용할 수 있습니다. 긍정적인 시도는 개별 시도에 대해 여기에 표시됩니다 모든 훈련 세션에서 대기 시간이 초 미만인 모든 응답은 성공적인 적중 응답에 해당합니다.
응답 지연 시간의 히스토그램은 6초 미만의 HIIT 반응과 6-8초의 탈출 반응에 해당하는 바이모달입니다. 이것은 단일 훈련 세션에서 조건 자극 양성 시험에 걸쳐 평균화된 단일 동물의 전기적으로 유발된 전위 또는 EEP의 전형적인 예이며, EEP는 단일 펄스 자극 아티팩트 제거 전에는 검은색으로, 아티팩트 제거 후에는 빨간색으로 표시됩니다. N two zero로 알려진 초기의 눈에 띄는 음의 피크는 20 밀리 초의 대기 시간으로 볼 수 있습니다.
이 그림은 상단 패널의 rostral stimulation 전극에서 positive condition stimulus에 대한 반응과 coddle stimulation electrode에서의 negative condition stimulus에 대한 반응으로 N개의 zero 진폭의 공간 분포에 대한 추가 분석을 보여줍니다. 하단 패널에서 이것은 청각 피질 전체에 걸쳐 유발된 상태의 공간 해상도를 보여줍니다. 이 절차를 시도하는 동안 그리드 바닥의 접지는 고품질 전기 생리학적 기록과 이 절차에 따른 전기 자극의 적절한 전달을 얻는 데 중요하다는 점을 기억하는 것이 중요합니다.
광유전학 및 약리학적 조작과 같은 다른 방법은 인식과 학습 중에 피질 회로의 특정 세포 유형과 전달물질 시스템을 조사하기 위해 프로토콜에 포함될 수 있습니다. 이 기술은 이 분야의 연구자들을 위한 길을 단순한 상관관계에서 학습 및 기억 기능에 대한 뉴런 역학의 역할에 대한 보다 인과적인 설명으로 안내합니다.
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개요
이 연구는 생쥐에서 셔틀-박스 회피 학습을 조사하고, 부위 특이적 전기 피질 내부 마이크로 자극(ICMS)과 생체 내 기록을 통합합니다. 이 접근법은 학습 중 피질 활동 패턴과 행동 상태 간의 관계를 탐구하는 것을 목표로 합니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 행동 신경과학
- 신경 동력학
- 학습 및 지각
배경
- 셔틀-박스 회피 학습은 행동 신경과학에서 잘 확립된 방법입니다.
- 부위 특이적 ICMS를 통해 신경 회로에 대한 표적화된 자극이 가능합니다.
- 신경 활동과 행동 간의 연결을 이해하는 것은 인지 과정에 대한 통찰력을 얻는 데 중요합니다.
- 이 연구는 생쥐의 학습 행동을 평가하기 위해 go no-go 패러다임을 활용합니다.
연구 목적
- 학습 중 신경 질량 작용을 평가하고 조작합니다.
- 피질 활동 패턴을 통해 내부 인지 상태를 특성화합니다.
- 관찰된 행동과 신경 동력학 사이의 연결을 확립합니다.
사용된 방법
- 자극 및 기록을 위한 다중 전극 어레이의 삽입.
- 2개의 구획으로 된 셔틀 박스에서 동물 훈련.
- 청각 피질에서 진행 중인 신경 활동 기록.
- 획일적인 학습 행동 및 시공간 활동 패턴 분석.
주요 결과
- 부위 특이적 피질 마이크로 자극은 뚜렷한 시공간 활동 패턴을 유발합니다.
- 이러한 패턴은 학습 중 행동 상태와 상관관계가 있습니다.
- 이 방법은 신경 활동을 기반으로 인지 상태에 대한 통찰력을 제공합니다.
- 결과는 ICMS가 학습 및 지각 연구에 활용될 잠재력을 보여줍니다.
결론
- ICMS는 피질 활동을 행동 결과와 연결하는 귀중한 도구입니다.
- 이 접근법은 뇌에서 학습 메커니즘에 대한 이해를 향상시킵니다.
- 향후 연구는 이러한 발견을 바탕으로 인지 과정을 더욱 탐구할 수 있습니다.
자주 묻는 질문
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
