Rejestrowanie potencjałów czynnościowych pojedynczych neuronów od swobodnie poruszających się gołębi na trzech etapach uczenia się

Ogólnym celem następującego eksperymentu jest charakterystyka wzorców odpowiedzi pojedynczych neuronów podczas wykonywania przez obiekt badawczy zadania dyskryminacji wizualnej, obejmującego nabycie, wygaszenie i ponowne nabycie warunkowych reakcji. Najpierw doświadczony obiekt jest szkolony w emitowaniu jednej z dwóch możliwych odpowiedzi wyboru po prezentacji jednego z dwóch różnych bodźców wizualnych.

Po tym, jak zwierzę zacznie niezawodnie wykonywać dyskryminację, odpowiadając na jeden z dwóch losowo wybranych bodźców, wzmocnienie przestaje być stosowane. Gdy uwarunkowana odpowiedź na ten bodziec ulegnie osłabieniu, odpowiedzi są ponownie wzmacniane w sposób ciągły, co prowadzi do szybkiego ponownego nabycia reakcji. Wyniki pokazują, że wzorce odpowiedzi poszczególnych neuronów stopniowo zmieniają się w czasie, gdy zwierzę wykonuje zadanie uczenia się.

Główną zaletą tej techniki w stosunku do istniejących metod jest to, że różne etapy uczenia są realizowane podczas jednej sesji w ciągu zaledwie kilku godzin. Pozwala to na śledzenie potencjałów czynnościowych poszczególnych neuronów w trakcie procesu uczenia się. Metoda ta może dostarczyć informacji na temat mechanizmów leżących u podstaw adaptacyjnego zachowania operantnego na poziomie pojedynczej komórki.

Aby rozpocząć auto kształtowanie, umieść gołębia w komorze testowej przygotowanej zgodnie z opisem w towarzyszącym protokole tekstowym. Następnie wyświetl pięciosekundowy wizualny bodziec inicjujący na środkowym klawiszu. Natychmiast po zakończeniu bodźca inicjującego lub po pojedynczym dziobnięciu klawisza reakcji, w zależności od tego, co nastąpi pierwsze, wyłącz podświetlenie klawisza i podaj nagrodę pokarmową poprzez aktywację podajnika pokarmu na dwie sekundy.

Zachowaj dłuższy odstęp między próbami niż czas prezentacji bodźca. Czas ten ma ułatwić naukę. Bodziec inicjujący zostanie ponownie wykorzystany jako potwierdzenie inicjalizacji oraz klucz wyboru w końcowym zadaniu.

Gdy zwierzę będzie reagować w co najmniej 85% prób, należy stopniowo skracać odstęp między próbami aż do 10 seconds oraz czas prezentacji do two seconds. Zwiększ liczbę odpowiedzi wymaganych do otrzymania wzmocnienia do trzech. Zwiększ całkowitą liczbę prób na dzień tak, aby trening zwierzęcia trwał około one hour.

Powtarzaj te kroki treningowe dla lewego i prawego klawisza odpowiedzi, aż do momentu, gdy odpowiedź na bodziec inicjujący będzie uzyskiwana w sposób niezawodny dla wszystkich klawiszy. Przeplataj próby dla klawisza lewego, prawego i środkowego w sposób losowy; obecnie najpierw prezentuj bodziec inicjujący na środkowym klawiszu, a po uzyskaniu odpowiedzi prezentuj bodziec inicjujący na którymkolwiek z klawiszy bocznych. Nie wzmacniaj odpowiedzi na klawiszu środkowym.

Losowo zmieniaj stronę wzmacnianych klawiszy z próby na próbę. Jeśli po pięciu sekundach nie wystąpi reakcja na klawisz środkowy, zakończ próbę. Ten etap treningu trwa około trzech dni po zainicjowaniu STI.

Wprowadź dwa nowe bodźce, które w końcowym zadaniu będą służyć jako bodźce znane; powtórz kroki auto kształtowania z tymi bodźcami, aby uzyskać odpowiedź na bodźce znane. Trening z nowymi bodźcami zazwyczaj pozwala na uzyskanie poprawnych odpowiedzi w ciągu czterech dni. Podświetl tylko klawisz wyboru, który jest poprawny dla danego znanego bodźca.

Ta faza treningu powinna trwać około jednego tygodnia, gdy podmiot zacznie reagować w sposób niezawodny, wybierając prawidłowy klawisz boczny w co najmniej 85% odpowiedzi. Należy wprowadzić próby z wolnym wyborem, w których podczas fazy wyboru podświetlone są oba klawisze boczne. Reakcja po prawidłowej stronie jest wzmacniana dostępem do pożywienia przez dwie sekundy.

Błędne odpowiedzi są następowane przez zgaśnięcie świateł w pomieszczeniu na dwie sekundy. Jeśli w ciągu trzech sekund nie udzielono odpowiedzi, należy skonfigurować program tak, aby zakończył próbę i zrestartował interwał międzypróbny. Ta faza treningu powinna trwać około dwóch tygodni.

Stopniowo zwiększaj odsetek prób z wolnym wyborem od 20% do 100% w trakcie treningu. Jeśli obiekt osiąga poprawność powyżej 90% w próbach z wolnym wyborem, zmniejsz prawdopodobieństwo nagrody za poprawne odpowiedzi do 0,5, zwiększając jednocześnie liczbę prób na sesję do 1000. Nie zmieniaj parametrów każdego dnia, lecz dobieraj je elastycznie.

Zależnie od poziomu sprawności obiektu. Ta faza treningu trwa około czterech tygodni. Gołębie wykazują naturalną neofobię i będą niechętne do dziobania nieznanych bodźców.

Należy zatem powtórzyć procedurę auto kształtowania dla szerokiego zakresu zróżnicowanych bodźców wizualnych. Po zakończeniu treningu można przeprowadzić końcowe zadanie wyboru siły w pojedynczym interwale z nowymi bodźcami w różnych warunkach wzmocnienia. Podczas etapu rozgrzewki pozwól badanemu wykonać 50 prób z zapoznanymi bodźcami.

Aby zapobiec utracie motywacji do reagowania w fazie nabywania, w wszystkich fazach należy ustawić prawdopodobieństwo nagrody dla tych bodźców na wartość mniejszą niż jeden. Należy losowo przeplatać próby z prezentacją bodźców znanych i nowych, przypisać różne klawisze odpowiedzi jako poprawne dla dwóch nowych bodźców i wzmacniać każdą poprawną odpowiedź. Oblicz procent poprawnych odpowiedzi jako średnią kroczącą z ostatnich 120 prób.

Proces nabywania uznaje się za zakończony, gdy skuteczność dla każdego nowego bodźca przekroczy 85% po przeprowadzeniu co najmniej 150 prób podczas etapu wygaszania. Należy zaprzestać wzmacniania poprawnych i karania błędnych reakcji na losowy nowy bodziec. Rozpocznij fazę rekwizycji po uzyskaniu poprawnej odpowiedzi.

Odpowiedzi na bodziec wygaszenia spadną poniżej 60% i zwierzę ukończy łącznie co najmniej 150 prób w tej fazie. W etapie ponownego nabywania wzmacniaj poprawne i karz niepoprawne odpowiedzi na bodziec wygaszenia, analogicznie do procedury stosowanej w etapie nabywania. Zakończ sesję, gdy skuteczność dla tego bodźca przekroczy 85% i zwierzę wykona co najmniej 150 prób w tej fazie.

Zaimplantuj elektrody. Gdy zwierzęta kilkukrotnie przejdą cały proces nabywania, wygaszania i ponownego nabywania reakcji, w każdej sesji zastosuj nową parę nowych bodźców i przesuń elektrody o co najmniej 125 µm lub o pół obrotu śruby napędowej przed rozpoczęciem. Jeśli nie zaobserwowano potencjałów czynnościowych o wystarczającym stosunku sygnału do szumu, przerwij sesję i umieść zwierzę w klatce macierzystej przed ponowną próbą następnego dnia.

Korzystając z oprogramowania do analizy offline, należy zastosować filtr pasmowy dla wszystkich kanałów w zakresie od 500 do 5 000 hertz z gwałtownym spadkiem charakterystyki, wyodrębnić kolce (spikes) przy użyciu progów amplitudy, a następnie posortować je ręcznie za pomocą analizy głównych składowych. Własny kod MATLAB do sortowania wyników jest dostępny w serwisie MATLAB Central File Exchange. Dobrze wyizolowana pojedyncza jednostka powinna tworzyć wyraźnie oddzielony klaster.

W przestrzeni głównych składowych nie występuje oznaka wielu jednostek, gdy wszystkie zarejestrowane długości fal są nałożone na siebie i przedstawione w formie mapy ciepła. Amplitudy kształtu fal szczytowych są rozłożone symetrycznie i wykazują stabilny zapis w trakcie całej sesji, co potwierdza niezmienna amplituda szczytu oraz brak lub bardzo niewielka liczba zdarzeń typu spike występujących w okresie refrakcji po poprzednim impulsie. Stosunek sygnału do szumu dla impulsu wynosi co najmniej dwa.

Przeanalizuj offline surowe kanały pod kątem artefaktów związanych z ruchem i w razie potrzeby odrzuć odpowiednie kanały. Przetestuj obecność potencjalnych artefaktów elektrycznych występujących podczas dziobania klawiszy, badając histogram czasowy liczby impulsów (spike'ów) w stosunku do każdego zarejestrowanego dziobania klawisza.

Artefakty wywołane dziobaniem będą widoczne jako pik w histogramie w czasie 50 milisekund, z zerem jako dodatkowym wykresem kontrolnym. Kształty fal wszystkich zdarzeń typu spike zarejestrowanych w ciągu 20 milisekund od kluczowego dziobania należy analizować osobno i porównywać je z kształtami fal spike wykrytymi poza tym oknem czasowym. Te dane behawioralne dla jednego zwierzęcia wykonującego zadanie wyboru wymuszonego z pojedynczym interwałem wykazują 100% poprawnych wyborów od początku treningu dla nowego bodźca jeden oraz osiągnięcie kryterium wydajności dla nowego bodźca dwa w ciągu 180 prób w tej sesji; nowy bodziec dwa został losowo wybrany do procesu wygaszania, co oznacza, że wszystkie wybory następujące po tym bodźcu nie są już nagradzane ani karane podczas wygaszania.

Wydajność spada w przypadku bodźca wygaszania, ale pozostaje wysoka dla drugiego nowego bodźca. Poziom kryterium dla wygaszania zostaje osiągnięty w próbie 370, gdy odpowiedzi poprawne i błędne są ponownie wzmacniane i karane podczas ponownego nabywania. Kryterium wydajności na poziomie 85% zostaje osiągnięte w próbie 402.

Wzorzec odpowiedzi jednej jednostki w jądrze bledym boczny zarejestrowano podczas wykonywania zadania przez zwierzę. Zadanie to wykazuje modulację odpowiedzi podczas prezentacji nowego bodźca. W fazie nabywania jednostki silnie reagują na nowy bodziec dwa.

Na wczesnym etapie uczenia się obserwuje się niewielkie zmiany w częstotliwości wyładowań podczas faz wygaszania i ponownego nabywania. Odpowiedź na nowy bodziec jest również niewielka. Jedna podczas sesji.

Inna jednostka reaguje podczas ruchów w prawo, ale nie w lewo, co sugeruje kodowanie sensoryczno-motoryczne. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo mieć dobrą wiedzę na temat tego, jak krok po kroku trenować zwierzęta do wykonywania końcowego zadania z wymuszonym wyborem z jednego przedziału czasowego (single interval forced choice) z dynamicznymi warunkami wzmocnienia. Technika ta utoruje drogę badaczom z dziedziny uczenia się i pamięci do badania reorganizacji sieci neuronalnych podczas różnych typów uczenia się na poziomie pojedynczej komórki.