Gecombineerd Shuttle-Box Training met Elektrofysiologische Cortex opnemen en stimulatie als een instrument om Perception en learning studie

Het algemene doel van het volgende experiment is om de neurale massa-actie en neurodynamica tijdens het leren te beoordelen en te manipuleren. Dit wordt bereikt door eerst multi-elektrodearrays te implanteren die locatie-specifieke simultane stimulatie en registratie van neuronale activiteit in de auditieve cortex mogelijk maken. In een tweede stap worden de geïmplanteerde dieren getraind in een shuttlebox met twee compartimenten in een go no-go paradigm, terwijl de lopende neuronale activiteit in de auditieve cortex wordt geregistreerd en intracorticale microstimulatie wordt gebruikt voor conditionering.

Vervolgens worden de analyse van het leergedrag en de leergerelateerde spatiotemporele activiteitspatronen offline per trial uitgevoerd. De resultaten laten zien hoe site-specifieke corticale microstimulatie kan worden gebruikt om spatiotemporele activiteitspatronen op te wekken die het mogelijk maken om interne subjectieve cognitieve toestanden te karakteriseren. Hiermee legt deze methode verbanden tussen activiteitspatronen in corticale circuits en geobserveerde gedragstoestanden van leren en perceptie.

De hier beschreven technieken tonen aan dat het niet alleen mogelijk is om individuele corticale activiteitspatronen te relateren aan gedefinieerde gedragsmatige en cognitieve toestanden, maar dat het ook mogelijk is om door elektrische stimulatie gedefinieerde percepties op te wekken die geassocieerd kunnen worden met verschillende gedragingen. De uitbreiding van deze bevindingen is gericht op de ontwikkeling van neuroprothetische substitutie voor verloren gegane sensorische functies. Deze methode kan ook worden toegepast op andere knaagdiersoorten, zoals ratten en muizen.

Over het algemeen zullen personen die nieuw zijn met deze methode problemen ondervinden, omdat ervaring en goed ontwikkelde standaarden in de hantering en training van dieren vereist zijn om goede resultaten te behalen uit deze leer-experimenten. Eerst worden stimulerende multi-channel elektrode-arrays voorbereid en vervolgens chirurgisch geïmplanteerd in de auditieve cortex. Volgens de instructies in het geschreven gedeelte van het protocol begint de rest van de procedure pas nadat de dieren volledig zijn hersteld van de operatie.

Epidurale oppervlakte-arrays zijn gemaakt van roestvrijstalen draden, gerangschikt in een matrix van drie bij zes met een inter-elektrodeafstand van ongeveer 600 micron. Sluit de head-stage versterker aan op de opnamekabel. Gebruik een kabelboom van dunne flexibele kabels, omhuld door een metalen gaas, om de verbinding te beschermen tegen beschadiging door bijtende dieren.

Gebruik een voorversterker in de afgeschermde box om de signaal-ruisverhouding en de bandbreedte te verhogen. Filter het signaal in het gewenste frequentiebereik voor opnames van lokale veldpotentialen. Bemonster de gegevens met een bemonsteringsfrequentie van meer dan 1 kHz met een filter van 2 tot 300 Hz. Gebruik voor opnames van actiepotentialen een bemonsteringsfrequentie van ten minste 40 kHz en een filter van 300 tot 4.000 Hz.

Om de gedragstest te starten, wordt een shuttle-box gebruikt in een akoestisch en elektrisch afgeschermde kamer. De box bevat twee compartimenten die gescheiden worden door een hindernis. Gebruik hindernishoogtes die geschikt zijn voor de specifieke soort, aangezien de hoogte van de hindernis de gedragsmatige bias van de respons beïnvloedt.

Nadat het proefdier is aangesloten op de registratie- en stimulatiekabel, plaatst u het dier voorzichtig in de trainingskamer en laat u het drie minuten wennen voor aanvang van een sessie; registreer alle compartementswisselingen tijdens de habituatiefase. Controleer zorgvuldig de kwaliteit van de registratie vóór de start van de training. Pas een online fast Fourier transform-filter toe op het signaal om de amplitude van de 50 hertz ruis te bepalen.

Controleer ten slotte alle verbindingen tussen de hoofdaansluiting, de adapters, de head stages, de kabelboom en de versterkers. Gebruik een meerkanaals stimulator om intracorticale microstimulatie toe te dienen aan de stimulatie-elektroden voor geconditioneerde stimulatie. Dien de geconditioneerde stimulus toe en dien vervolgens de ongeconditioneerde stimulus van de voetshock toe via de roosterbodem; zorg ervoor dat de sterkte van de toegediende schok aversief is, maar niet pijnlijk.

Zoals hier te zien is. Presenteer blanco proeven zonder onconditionele stimulus en conditionele stimulus afgewisseld tussen de proeven om via subtiel gedrag te corrigeren. Classificeer een compartementsverandering na het begin van de conditionele stimuli binnen een kritiek tijdvenster van vier seconden als een hit-respons.

Indien er geen geconditioneerde reactie optreedt als reactie op de geconditioneerde stimulus binnen het kritieke tijdvenster, dient onmiddellijk een milde voetschok van zes tot 10 seconden te worden toegediend. Classificeer dit als een 'miss' voor de negatieve trials van de geconditioneerde stimulus; een compartementswisseling binnen het kritieke tijdvenster wordt geclassificeerd als een vals-positieve reactie (false alarm response). Dien de ongeconditioneerde stimulus tot 10 seconden toe direct na deze ongepaste geconditioneerde reactie.

Dien de voetshock-ongeconditioneerde stimulus niet toe na negatieve trials van de geconditioneerde stimulus wanneer het dier tijdens het kritieke tijdvenster in het compartiment blijft. Classificeer dit als een correcte afwijzing nadat het gehele experiment is voltooid. Controleer de stabiele positie van de stimulatie-elektrodearray door chirurgische anesthesie toe te dienen en vervolgens een monopolaire cathodische stroom via alle stimulatiekanalen te sturen om ijzerafzettingen in het weefsel op de implantatieplaats te verkrijgen. Bepaal de ontsnappingstijden zorgvuldig online en verhoog de sterkte van de voetshock stapsgewijs als de ontsnappingstijden langer zijn dan twee seconden.

Bereken na de eerste 20 proeven om de trainingsgegevens te analyseren de geconditioneerde reactiesnelheden voor de geconditioneerde stimulus positief en geconditioneerde stimulus negatief proeven, zoals op het scherm wordt weergegeven. Zet de geconditioneerde reactiesnelheden uit tegen de sessie of het proevenblok om de trainingsvoortgang en de leerdynamiek te evalueren. Voer tenslotte een d-prime analyse uit volgens de instructies in het geschreven gedeelte van het protocol. Een sensitiviteitsindex met een d-prime van meer dan één kan worden gebruikt als drempelcriterium voor een succesvolle discriminatie. De responstijden tijdens de geconditioneerde stimulus positief proeven worden hier uitgezet voor individuele proeven. Over alle trainingssessies heen komen alle reacties met latenties onder de seconden overeen met succesvolle hit-reacties.

Histogrammen van responstijden zijn bimodaal, wat overeenkomt met HIIT-responsen van minder dan zes seconden en ontsnappingsresponsen van zes tot acht seconden. Dit is een typisch voorbeeld van een elektrisch opgewekt potentiaal of EEP van een enkel dier, gemiddeld over de positieve trials van de conditioneringsstimulus in één trainingssessie; de EEP wordt in het zwart getoond vóór het verwijderen van artefacten van enkelvoudige pulsstimuli, en in het rood na het verwijderen van de artefacten. De vroege, prominente negatieve piek, bekend als N20, is zichtbaar bij een latentie van 20 milliseconden.

Deze figuur toont een verdere analyse van de ruimtelijke distributies van de N 20 amplitude in reactie op een stimulus onder positieve conditie bij de rostrale stimulatie-elektrode in het bovenste paneel, en op een stimulus onder negatieve conditie bij de caudale stimulatie-elektrode. In het onderste paneel wordt de ruimtelijke resolutie van opgewekte toestanden in de gehele auditieve cortex onthuld. Tijdens deze procedure is het belangrijk om te onthouden dat de aarding van de gridbodem cruciaal is voor het verkrijgen van hoogwaardige elektrofysiologische opnames, evenals voor een correcte toediening van elektrische stimulatie na deze procedure.

Andere methoden, zoals optogenetische en farmacologische manipulaties, kunnen aan het protocol worden toegevoegd om specifieke celtypen en transmittersystemen in de corticale circuits tijdens perceptie en leren te onderzoeken. Deze techniek biedt onderzoekers in het veld de mogelijkheid om van een louter correlatieve naar een meer causale beschrijving van de rol van neuronale dynamiek bij leer- en geheugenfuncties over te stappen.