Połączony trening w skrzynce wahadłowej z rejestracją i stymulacją kory elektrofizjologicznej jako narzędziem do badania percepcji i uczenia się

Ogólnym celem następującego eksperymentu jest ocena i manipulacja masowym działaniem neuronów oraz neurodynamiką podczas uczenia się. Jest to realizowane poprzez implantację macierzy wieloelektrodowych, które umożliwiają jednoczesną, miejscowo specyficzną stymulację i rejestrację aktywności neuronalnej w korze słuchowej. W drugim kroku zwierzęta z implantami są trenowane w dwukomorowej klatce typu shuttle box w paradygmacie go no-go, przy jednoczesnej rejestracji bieżącej aktywności neuronalnej w korze słuchowej i wykorzystaniu wewnątrzkorowej mikrostymulacji do warunkowania.

Następnie, w trybie offline, przeprowadzono analizę zachowań uczenia się oraz związanych z nimi spójnych czasowo-przestrzennych wzorców aktywności w odniesieniu do każdego pojedynczego powtórzenia. Wyniki pokazują, w jaki sposób specyficzna dla danego miejsca mikrostymulacja kory może być wykorzystana do wywoływania czasowo-przestrzennych wzorców aktywności, które pozwalają na charakteryzację wewnętrznych, subiektywnych stanów poznawczych. W ten sposób metoda ta ustanawia powiązania między wzorcami aktywności obwodów korowych a obserwowanymi behawioralnymi stanami uczenia się i percepcji.

Opisane tutaj techniki wykazują, że nie tylko możliwe jest powiązanie indywidualnych wzorców aktywności kory z określonymi stanami behawioralnymi i poznawczymi, ale że poprzez stymulację elektryczną można również wywołać określone percepcje, które mogą być powiązane z różnymi zachowaniami. Rozszerzeniem tych odkryć jest rozwój neuroprotez służących do substytucji utraconych funkcji sensorycznych. Metodę tę można zastosować również u innych gatunków gryzoni, takich jak szczury i myszy.

Zasadniczo osoby rozpoczynające pracę z tą metodą mogą napotkać trudności, ponieważ uzyskanie dobrych wyników w tych eksperymentach uczenia się wymaga doświadczenia oraz wysoko rozwiniętych standardów w zakresie obchodzenia się ze zwierzętami i ich trenowania. W pierwszej kolejności przygotowuje się stymulujące wielokanałowe macierze elektrod, a następnie implantuje się je chirurgicznie do kory słuchowej. Zgodnie z instrukcjami zawartymi w pisemnej części protokołu, dalsza część procedury rozpoczyna się dopiero po całkowitym powrocie zwierząt do zdrowia po operacji.

Powierzchniowe macierze znadtwardówkowe wykonane są z drutu ze stali nierdzewnej ułożonego w macierzy 3x6 z odległością międzyelektrodową wynoszącą około 600 mikronów. Podłącz wzmacniacz przedwzmacniacza głowicowego do kabla rejestrującego. Użyj wiązki cienkich, elastycznych kabli owiniętych metalową siatką, aby chronić połączenie przed uszkodzeniem przez gryzące zwierzęta.

Użyj przedwzmacniacza w ekranowanej obudowie, aby zwiększyć stosunek sygnału do szumu oraz pasmo przepustowe. Przefiltruj sygnał w pożądanym zakresie częstotliwości dla rejestracji lokalnych potencjałów polowych. Próbkuj dane z częstotliwością próbkowania powyżej 1 kHz, stosując filtr od 2 do 300 Hz. W przypadku rejestracji potencjałów czynnościowych zastosuj częstotliwość próbkowania co najmniej 40 kHz oraz filtr od 300 do 4 000 Hz.

Aby rozpocząć test behawioralny, należy wykorzystać klatkę typu shuttle box umieszczoną w komorze ekranowanej akustycznie i elektrycznie. Klatka składa się z dwóch przedziałów oddzielonych przeszkodą. Należy zastosować wysokość przeszkody dostosowaną do konkretnego gatunku, ponieważ wysokość ta wpływa na preferencje behawioralne w odpowiedzi.

Po podłączeniu badanego zwierzęcia do kabla rejestrującego i stymulującego, delikatnie umieść zwierzę w komorze treningowej i pozwól mu na habituację przez trzy minuty przed rozpoczęciem sesji; zarejestruj wszystkie zmiany przedziałów w fazie habituacji. Przed rozpoczęciem treningu dokładnie sprawdź jakość rejestracji. Zastosuj filtr szybkiej transformaty Fouriera (FFT) w czasie rzeczywistym do sygnału, aby określić amplitudę szumu 50 hertz.

Na koniec należy dwukrotnie sprawdzić wszystkie połączenia między złączem głowicowym, adapterami, stopniami głowicowymi, wiązką przewodów a wzmacniaczami. Użyj stymulatora wielokanałowego, aby dostarczyć wewnątrzkorową mikrostymulację do elektrod stymulujących w celu przeprowadzenia stymulacji warunkowanej. Podaj bodziec warunkowy, a następnie podaj bezwarunkowy bodziec w postaci wstrząsu elektrycznego stóp poprzez kratownicową podłogę, upewniając się, że natężenie podawanego wstrząsu jest awersyjne, ale nie bolesne.

Jak pokazano tutaj. Prezentuj próby puste bez bodźca bezwarunkowego oraz bodziec warunkowy przeplatany między próbami w celu korekty poprzez subtelne zachowanie. Zmianę komory po wystąpieniu bodźca warunkowego w krytycznym oknie czasowym wynoszącym cztery sekundy klasyfikuj jako reakcję typu hit.

Jeśli w odpowiedzi na bodziec warunkowy w krytycznym oknie czasowym nie wystąpi reakcja warunkowa, należy natychmiast podać łagodny wstrząs stopy przez 6 do 10 sekund. W przypadku prób negatywnych bodźca warunkowego, brak reakcji klasyfikuje się jako przeoczenie (miss); zmiana komory w krytycznym oknie czasowym jest klasyfikowana jako fałszywy alarm. Bodziec bezwarunkowy należy podać przez maksymalnie 10 sekund bezpośrednio po tej nieprawidłowej reakcji warunkowej.

Nie stosuj bodźca bezwarunkowego w postaci wstrząsu stopy po próbach negatywnych bodźca warunkowego, gdy zwierzę pozostaje w komorze w krytycznym oknie czasowym. Po zakończeniu całego eksperymentu zaklasyfikuj to jako prawidłowe odrzucenie. W celu kontroli stabilnej pozycji macierzy elektrod stymulacyjnych, podaj znieczulenie chirurgiczne, a następnie zastosuj monopolarny prąd katody dostarczany przez wszystkie kanały stymulacyjne, aby uzyskać osady żelaza w tkance w miejscu implantacji. Uważnie określ latencje ucieczki w trybie online; zwiększ natężenie wstrząsu stopy, jeśli latencje ucieczki są dłuższe niż dwie sekundy.

Po pierwszych 20 próbach służących do analizy danych treningowych, oblicz warunkowe szybkości reakcji dla prób z bodźcem warunkowym pozytywnym oraz bodźcem warunkowym negatywnym, zgodnie z prezentacją na ekranie; nanieś warunkowe szybkości reakcji na wykres w funkcji sesji lub bloku prób w celu oceny postępów treningu i dynamiki uczenia się. Na koniec przeprowadź analizę d'prime zgodnie z instrukcjami zawartymi w pisemnej części protokołu. Indeks wrażliwości z wartością d'prime większą niż jeden może służyć jako kryterium progowe dla skutecznej dyskryminacji; opóźnienia odpowiedzi podczas prób z bodźcami warunkowymi pozytywnymi są tutaj przedstawione dla poszczególnych prób. W ramach wszystkich sesji treningowych wszystkie odpowiedzi z opóźnieniami poniżej sekund odpowiadają skutecznym odpowiedziom typu hit.

Histogramy latencji odpowiedzi są bimodalne, co odpowiada odpowiedziom HIIT trwającym mniej niż sześć sekund oraz odpowiedziom ucieczki trwającym od sześciu do ośmiu sekund. Jest to typowy przykład potencjału wywołanego elektrycznie (EEP) od jednego zwierzęcia, uśrednionego dla prób z dodatnim bodźcem warunkującym w jednej sesji treningowej; EEP przedstawiono w kolorze czarnym przed usunięciem artefaktów pojedynczego impulsu bodźca oraz w kolorze czerwonym po ich usunięciu. Wczesny, wyraźny szczyt ujemny, znany jako N20, jest widoczny przy latencji 20 ms.

Rycina ta przedstawia dalszą analizę rozkładów przestrzennych amplitudy N20 w odpowiedzi na bodziec w warunkach dodatnich na rostralnej elektrodzie stymulującej (panel górny) oraz na bodziec w warunkach ujemnych na kaudalnej elektrodzie stymulującej. Panel dolny ukazuje rozdzielczość przestrzenną stanów wywołanych w całej korze słuchowej. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać, że uziemienie podłogi siatki jest kluczowe dla uzyskania wysokiej jakości zapisów elektrofizjologicznych, a także dla prawidłowego dostarczenia stymulacji elektrycznej po przeprowadzeniu tej procedury.

W protokole można uwzględnić inne metody, takie jak manipulacje optogenetyczne i farmakologiczne, w celu zbadania specyficznych typów komórek i układów przekaźników w obwodach korowych podczas percepcji i uczenia się. Technika ta otwiera przed badaczami w tej dziedzinie drogę od prostego opisu korelacyjnego do bardziej przyczynowego opisu roli dynamiki neuronalnej w funkcjach uczenia się i pamięci.