Gecombineerd Shuttle-Box Training met Elektrofysiologische Cortex opnemen en stimulatie als een instrument om Perception en learning studie
22 oktober 2015
Shuttle-box vermijdingsleren is goed opgericht in behavioral neurowetenschappen. Dit protocol beschrijft hoe shuttle-learning in knaagdieren kan worden gecombineerd met locatie-specifieke elektrische intracorticale microstimulatie (ICMS) en gelijktijdige chronische in vivo opnames als een instrument om meerdere aspecten van leren en perceptie bestuderen.
Het algemene doel van het volgende experiment is om neurale massa-actie en neurodynamica tijdens het leren te beoordelen en te manipuleren. Dit wordt bereikt door eerst multi-elektrode arrays te implanteren die plaatsspecifieke gelijktijdige stimulatie en opname van neuronale activiteit in de auditieve cortex mogelijk maken. Als tweede stap worden geïmplanteerde dieren getraind in een tweekamerige shuttlebox in een go no-go paradigma terwijl de voortdurende neuronale activiteit in de auditieve cortex wordt opgenomen en intracorticale microstimulatie wordt gebruikt voor conditionering.
Vervolgens worden de leergedrag en leergerelateerde ruimtelijk-tijdelijke activiteitspatronen op trial-by-trial basis offline geanalyseerd. De resultaten tonen hoe plaatsspecifieke corticale microstimulatie kan worden gebruikt om ruimtelijk-tijdelijke activiteitspatronen op te roepen die interne subjectieve cognitieve toestanden karakteriseren. Hierdoor legt deze methode verbanden tussen corticale circuitactiviteitspatronen en waargenomen 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 gedrags- en cognitieve toestanden, maar dat het ook mogelijk is om door elektrische simulatie gedefinieerde percepties op te roepen die geassocieerd kunnen worden met verschillend gedrag. De uitbreiding van deze bevindingen is gericht op de ontwikkeling van neuroprothetische substitutie voor verloren sensorische functie. Deze methode kan ook worden toegepast op andere knaagdieren zoals ratten en muizen.
Over het algemeen zullen personen die nieuw zijn in deze methode worstelen omdat ervaring en goed ontwikkelde standaarden in de omgang met en het trainen van dieren nodig zijn om goede resultaten te verkrijgen uit deze leerexperimenten. Eerst worden stimulerende multi-kanaals elektrode arrays voorbereid en vervolgens chirurgisch geïmplanteerd in de auditieve cortex. Volgens de instructies in het schriftelijke gedeelte van het protocol begint de rest van de procedure pas nadat de dieren volledig zijn hersteld van de operatie.
Epidural oppervlakte-arrays worden gemaakt van roestvrij staaldraad gerangschikt in een drie bij zes matrix met een afstand tussen de elektroden van ongeveer 600 micron. Sluit de headstage-versterker aan op de opnamekabel. Gebruik een harnas van dunne flexibele kabels omhuld door een metalen gaas om de verbinding te beschermen tegen schade door bijtende dieren.
Gebruik een pre-versterker in de afgeschermde doos om het signaal-ruisverhouding en bandbreedte te verhogen. Filter het signaal in het gewenste frequentiebereik voor lokale veldpotentiaalopnames. Neem gegevens op met een bemonsteringsfrequentie van meer dan een kilohertz met een filter van twee tot 300 hertz. Voor actiepotentiaalopnames, gebruik een bemonsteringsfrequentie van minimaal 40 kilohertz en een filter van 300 tot 4.000 hertz.
Om de gedragstest te beginnen, gebruik een shuttlebox in een akoestisch en elektrisch afgeschermde kamer. De box bevat twee compartimenten gescheiden door een hordel. Gebruik hordelhoogtes die geschikt zijn voor specifieke soorten, omdat de hoogte van de hordel de gedragsbias van de reactie beïnvloedt.
Nadat het te testen dier is aangesloten op de opname- en stimulatiekabel, plaats het dier voorzichtig in de trainingskamer en laat het drie minuten habitueren voor het begin van een sessie, neem alle compartimentsveranderingen in de habituatiefase op. Controleer zorgvuldig de kwaliteit van de opname voor het begin van de training. Pas een online fast Fourier transform filter toe op het signaal om de amplitude van 50 hertz ruis te bepalen.
Controleer ten slotte alle verbindingen tussen de hoofdconnector, de adapters, de headstages, de kabelharnas en de versterkers. Gebruik een multi-kanaals stimulator om intracorticale microstimulatie te leveren aan de stimulatie-elektroden voor geconditioneerde stimulatie. Lever de geconditioneerde stimulus en lever vervolgens de voetschok ongeconditioneerde stimulus via de rasterbodem, zorg ervoor dat de sterkte van de geleverde schok aversieve, maar niet pijnlijk is.
Zoals hier te zien is. Presenteer lege proeven zonder onvoorwaardelijke stimulus en conditionerende stimulus tussen de proeven in om via subtiele gedragingen te corrigeren. Classificeer een compartimentsverandering na de geconditioneerde stimuli-onset binnen een kritisch tijdsvenster van vier seconden als een hit-reactie.
Als er geen geconditioneerde reactie optreedt in reactie op de geconditioneerde stimulus binnen het kritieke tijdsvenster, lever dan onmiddellijk een milde voetschok gedurende zes tot tien seconden. Classificeer dit als een miss voor geconditioneerde stimulus negatieve proeven, een compartimentsverandering binnen het kritieke tijdsvenster wordt geclassificeerd als een valse alarmreactie. Pas de onvoorwaardelijke stimulus toe gedurende maximaal 10 seconden onmiddellijk na deze ongepaste geconditioneerde reactie.
Breng de voetschok onvoorwaardelijke stimulus niet toe na geconditioneerde stimulus negatieve proeven wanneer het dier tijdens het kritieke tijdsvenster in het compartiment verblijft. Classificeer dit als correcte afwijzing nadat het hele experiment is voltooid. Controleer de stabiele positie van de stimulatie-elektrode array, geeft chirurgische anesthesie en breng vervolgens monopolaire kathartische stroom toe die via alle stimulatiekanalen wordt geleverd om ijzerafzettingen in het weefsel op de implantatiepositie te verkrijgen. Bepaal zorgvuldig de ontsnappingslatenties online verhoogde voetschoksterkte stap als ontsnappingslatenties langer zijn dan twee seconden.
Na de eerste 20 proeven om de trainingsgegevens te analyseren, bereken de geconditioneerde reactiesnelheden voor geconditioneerde stimulus positieve en geconditioneerde stimulus negatieve proeven zoals weergegeven op het scherm. Plot de geconditioneerde reactiesnelheden als functie van sessie of proefblok voor het evalueren van de trainingsvoortgang en leerdynamiek. Voer ten slotte diepe prime-analyse uit volgens de instructies in het schriftelijke gedeelte van het protocol. Een gevoeligheidsindex met de diepe prime van meer dan één kan worden gebruikt als drempelcriterium voor succesvolle discriminatie. Reactielatenties tijdens geconditioneerde stimuli positieve proeven worden hier voor individuele proeven uitgezet. Over alle trainingssessies hebben alle reacties met latenties onder de seconden betrekking op succesvolle hit-reacties.
Histogrammen van reactielatenties zijn bimodaal overeenkomstig HIIT-reacties op minder dan zes seconden en ontsnappingsreacties
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie onderzoekt shuttle-box vermijdingsleren bij knaagdieren, door site-specifieke elektrische intracorticale microstimulatie (ICMS) te integreren met in vivo opnamen. De benadering heeft tot doel de relatie tussen corticale activiteitspatronen en gedragstoestanden tijdens het leren te onderzoeken.
Belangrijke Studieonderdelen
Wetenschapsgebied
- Gedragsneurowetenschap
- Neurodynamica
- Leren en Perceptie
Achtergrond
- Shuttle-box vermijdingsleren is een goed gevestigde methode in de gedragsneurowetenschap.
- Site-specifieke ICMS maakt gerichte stimulatie van neuronale circuits mogelijk.
- Het begrijpen van het verband tussen neurale activiteit en gedrag is cruciaal voor inzichten in cognitieve processen.
- Deze studie gebruikt een go no-go paradigma om leergedrag bij knaagdieren te beoordelen.
Doel van het onderzoek
- Om neurale massa-actie tijdens het leren te beoordelen en manipuleren.
- Om interne cognitieve toestanden te karakteriseren door corticale activiteitspatronen.
- Om verbindingen te leggen tussen waargenomen gedragingen en neurale dynamiek.
Gebruikte methoden
- Implantatie van multi-elektrode arrays voor stimulatie en opname.
- Training van dieren in een twee-compartiment shuttle box.
- Opname van lopende neuronale activiteit in de auditieve cortex.
- Analyse van leergedrag en ruimtelijk-temporele activiteitspatronen op proef-voor-proef basis.
Belangrijkste Resultaten
- Site-specifieke corticale microstimulatie roept verschillende ruimtelijk-temporele activiteitspatronen op.
- Deze patronen correleren met gedragstoestanden tijdens het leren.
- De methode biedt inzichten in cognitieve toestanden op basis van neurale activiteit.
- Resultaten tonen het potentieel van ICMS bij het bestuderen van leren en perceptie.
Conclusies
- ICMS is een waardevol hulpmiddel voor het koppelen van corticale activiteit aan gedragsuitkomsten.
- Deze benadering vergroot het begrip van leermechanismen in de hersenen.
- Toekomstige studies kunnen op deze bevindingen voortbouwen om cognitieve processen verder te onderzoeken.
Veelgestelde Vragen
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
