인식 및 학습을 연구하는 도구로 전기 생리 텍스 녹화 및 자극과 셔틀 박스 교육을 결합

다음 실험의 전반적인 목표는 학습 과정 중의 신경 집단 작용과 신경 역학을 평가하고 조절하는 것입니다. 이를 위해 먼저 청각 피질에서 부위 특이적인 신경 활동의 동시 자극과 기록이 가능한 다중 전극 어레이를 이식합니다. 두 번째 단계로, 전극이 이식된 동물을 go no-go 패러다임의 2구획 셔틀 박스에서 훈련시키며, 이때 청각 피질의 지속적인 신경 활동을 기록하고 조건 형성을 위해 피질 내 미세 자극을 사용합니다.

다음으로, 학습 행동 및 학습 관련 시공간적 활동 패턴에 대한 분석을 오프라인 상태에서 시행별로 수행합니다. 결과는 부위별 피질 미세 자극을 통해 내부의 주관적 인지 상태를 특성화할 수 있는 시공간적 활동 패턴을 유도하는 방법을 보여줍니다. 이를 통해 본 방법은 피질 회로 활동 패턴과 관찰된 학습 및 지각의 행동 상태 사이의 연관성을 확립합니다.

여기에 설명된 기술들은 개별 피질 활동 패턴을 정의된 행동 및 인지 상태와 연관시키는 것이 가능할 뿐만 아니라, 전기 자극을 통해 서로 다른 행동과 연관될 수 있는 정의된 지각을 유도하는 것 또한 가능하다는 점을 보여줍니다. 이러한 발견의 확장 방향은 손실된 감각 기능을 대체하기 위한 신경 보철물 개발에 있습니다. 이 방법은 쥐(rats)나 생쥐(mice)와 같은 다른 설치류 종에도 적용될 수 있습니다.

일반적으로 이 방법에 익숙하지 않은 연구자는 어려움을 겪을 수 있는데, 이는 이러한 학습 실험에서 좋은 결과를 얻기 위해 동물의 취급 및 훈련에 관한 경험과 충분히 확립된 기준이 필요하기 때문입니다. 먼저 자극용 다채널 전극 어레이를 제작한 후, 이를 청각 피질에 외과적으로 이식합니다. 프로토콜의 서면 지침에 따라, 동물들이 수술 후 완전히 회복된 후에만 나머지 절차를 시작합니다.

경막외 표면 어레이는 전극 간 거리가 약 600 microns인 3x6 매트릭스로 배열된 스테인리스 스틸 와이어로 제작됩니다. 헤드 스테이지 증폭기를 기록 케이블에 연결하십시오. 동물이 깨물어 연결 부위가 손상되는 것을 방지하기 위해 금속 메시로 감싼 얇고 유연한 케이블 하네스를 사용하십시오.

신호 대 잡음비와 대역폭을 높이기 위해 차폐 상자 내의 프리앰프를 사용하십시오. 국소 전위(local field potential) 기록을 위해 원하는 주파수 범위에서 신호를 필터링하십시오. 2~300 Hz 필터를 사용하여 1 kHz 이상의 샘플링 주파수로 데이터를 샘플링하십시오. 활동 전위(action potential) 기록의 경우, 최소 40 kHz의 샘플링 주파수와 300~4,000 Hz 필터를 사용하십시오.

행동 테스트를 시작하려면, 음향 및 전기 차폐 챔버 내의 셔틀 박스를 사용하십시오. 박스는 허들로 구분된 두 개의 구획으로 구성되어 있습니다. 허들의 높이가 반응의 행동 편향에 영향을 미치므로, 특정 종에 적합한 허들 높이를 사용하십시오.

테스트할 동물을 기록 및 자극 케이블에 연결한 후, 동물을 훈련 챔버에 조심스럽게 넣고 세션 시작 전 3분 동안 적응시킵니다. 적응 단계에서의 모든 구획 이동을 기록하십시오. 훈련 시작 전 기록 품질을 주의 깊게 확인하십시오. 신호에 온라인 고속 푸리에 변환 필터를 적용하여 50 hertz 노이즈의 진폭을 결정합니다.

마지막으로 헤드 커넥터, 어댑터, 헤드 스테이지, 케이블 하네스 및 증폭기 사이의 모든 연결 상태를 다시 한번 확인하십시오. 다채널 자극기를 사용하여 조건 자극을 위한 자극 전극에 피질 내 미세 자극을 전달합니다. 조건 자극을 전달한 후 그리드 바닥을 통해 무조건 자극인 발 전기 충격을 전달하며, 이때 전달되는 충격의 강도가 혐오감을 주되 통증을 유발하지 않는 수준인지 확인하십시오.

여기에서 보시는 바와 같이, 미세한 행동 수정을 위해 무조건 자극과 조건 자극이 없는 빈 시도를 시도 간에 배치하여 제시합니다. 조건 자극 시작 후 4초의 결정적 시간 범위 내에서 발생하는 구획 변화를 적중 반응으로 분류합니다.

조건 자극에 반응하여 임계 시간 범위 내에 조건 반응이 일어나지 않는 경우, 즉시 6~10초 동안 가벼운 발 전기 충격을 가합니다. 무조건 자극으로서, 조건 자극 음성 시행 중 이를 반응하지 않은 경우(miss)로 분류하며, 임계 시간 범위 내의 구획 변경은 오경보(false alarm) 반응으로 분류합니다. 이러한 부적절한 조건 반응 직후에 최대 10초 동안 무조건 자극을 가합니다.

동물이 결정적 시간 창(critical time window) 동안 구획 내에 머무는 경우, 조건 자극 음성 시행 후에 전기 자극 비조건 자극을 가하지 마십시오. 실험 전체가 완료된 후 이를 정답 거부(correct rejection)로 분류하십시오. 자극 전극 어레이의 안정적인 위치를 제어하기 위해, 수술 마취를 실시한 후 모든 자극 채널을 통해 단극 카타르시스 전류를 가하여 이식 위치의 조직에 철 침전물을 형성시키십시오. 탈출 잠복기를 온라인으로 주의 깊게 결정하고, 탈출 잠복기가 2초보다 길면 전기 자극 강도를 단계적으로 높이십시오.

훈련 데이터를 분석하기 위한 처음 20회의 시행 후, 화면에 표시된 대로 조건 자극 양성 및 조건 자극 음성 시행에 대한 조건 반응률을 계산하십시오. 훈련 진행 상황과 학습 역학을 평가하기 위해 세션 또는 시행 블록의 함수로 조건 반응률을 그래프로 나타내십시오. 마지막으로 프로토콜의 서면 부분에 있는 지침에 따라 d' (deep prime) 분석을 수행하십시오. 1 이상의 d' 값을 갖는 민감도 지수는 성공적인 식별의 임계 기준으로 사용할 수 있습니다. 조건 자극 양성 시행 동안의 개별 시행에 대한 반응 잠복기가 여기에 그래프로 표시됩니다. 모든 훈련 세션에 걸쳐, 초 미만의 잠복기를 가진 모든 반응은 성공적인 히트(hit) 반응에 해당합니다.

반응 잠복기의 히스토그램은 6초 미만의 HIIT 반응과 6~8초의 회피 반응에 해당하는 이봉형 분포를 보입니다. 이는 단일 훈련 세션의 조건 자극 양성 시행들에 대해 단일 동물에서 평균을 낸 전기 유발 전위(EEP)의 전형적인 예시이며, EEP는 단일 펄스 자극 아티팩트를 제거하기 전에는 검은색으로, 제거 후에는 빨간색으로 표시됩니다. N20으로 알려진 초기 주요 음성 피크는 20 milliseconds의 잠복기에서 확인할 수 있습니다.

이 그림은 상단 패널에서 주둥이 쪽(rostral) 자극 전극의 양성 조건 자극에 대한 N20 진폭의 공간적 분포 분석을, 하단 패널에서는 꼬리 쪽(caudal) 자극 전극의 음성 조건 자극에 대한 분석을 보여줍니다. 하단 패널은 청각 피질 전반에 걸쳐 유발된 상태의 공간 해상도를 나타냅니다. 이 절차를 수행할 때, 고품질의 전기생리학적 기록과 전기 자극의 적절한 전달을 위해서는 그리드 바닥의 접지가 매우 중요하다는 점을 기억하십시오.

지각 및 학습 과정 중 피질 회로의 특정 세포 유형과 전달물질 시스템을 조사하기 위해 광유전학적 및 약리학적 조작과 같은 다른 방법들을 프로토콜에 포함할 수 있습니다. 이 기술은 해당 분야의 연구자들이 학습 및 기억 기능에 대한 신경 역동성의 역할을 단순한 상관관계 분석에서 더 인과적인 설명으로 나아갈 수 있는 길을 열어줍니다.