Name: Połączony trening w skrzynce wahadłowej z rejestracją i stymulacją kory elektrofizjologicznej jako narzędziem do badania percepcji i uczenia się (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-10-22T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 43 s
Description: Poznaj metodę treningu w skrzynce wahadłowej z rejestracją i stymulacją kory słuchowej u gryzoni. Ta technika pozwala badać związki między aktywnością neuronalną a stanami poznawczymi podczas uczenia się.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Praca była wspierana przez granty z Deustche Forschungsgemeinschaft DFG i Leibniz-Institute for Neurobiology. Dziękujemy Marii-Marinie Zempeltzi i Kathrin Ohl za pomoc techniczną.

<ol><li>Cohen, M. R., Newsome, W. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((What+electrical+microstimulation+has+revealed+about+the+neural+basis+of+cognition%5BTitle%5D)+AND+%22Current+Opinion+in+Neurobiology%22%5BJournal%5D)">What electrical microstimulation has revealed about the neural basis of cognition.</a> Current Opinion in Neurobiology. 14 (2), 169-177 (2004).</li>
<li>Histed, M. H., Bonin, V., Reid, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+activation+of+sparse%2C+distributed+populations+of+cortical+neurons+by+electrical+microstimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Direct activation of sparse, distributed populations of cortical neurons by electrical microstimulation.</a> Neuron. 63 (4), 508-522 (2009).</li>
<li>Histed, M. H., Ni, A. M., Maunsell, J. H. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Insights+into+cortical+mechanisms+of+behavior+from+microstimulation+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Neurobiology%22%5BJournal%5D)">Insights into cortical mechanisms of behavior from microstimulation experiments.</a> Progress in Neurobiology. 103, 115-130 (2013).</li>
<li>Bradley, D. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visuotopic+mapping+through+a+multichannel+stimulating+implant+in+primate+V1%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Visuotopic mapping through a multichannel stimulating implant in primate V1.</a> Journal of Neurophysiology. 93, 1659-1670 (2005).</li>
<li>Scheich, H., Breindl, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+Animal+Model+of+Auditory+Cortex+Prostheses%5BTitle%5D)+AND+%22Audiology+and+Neurootology%22%5BJournal%5D)">An Animal Model of Auditory Cortex Prostheses.</a> Audiology and Neurootology. 7 (3), 191-194 (2002).</li>
<li>Romo, R., Hernández, A., Zainos, A., Salinas, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Somatosensory+discrimination+based+on+cortical+microstimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Somatosensory discrimination based on cortical microstimulation.</a> Nature. 392, 387-390 (1998).</li>
<li>Douglas, R. J., Martin, K. A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recurrent+neuronal+circuits+in+the+neocortex%5BTitle%5D)+AND+%22Current+Biology%22%5BJournal%5D)">Recurrent neuronal circuits in the neocortex.</a> Current Biology. 17 (13), 496-500 (2004).</li>
<li>Happel, M. F. K., Deliano, M., Handschuh, J., Ohl, F. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dopamine-modulated+recurrent+corticoefferent+feedback+in+primary+sensory+cortex+promotes+detection+of+behaviorally+relevant+stimuli%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Dopamine-modulated recurrent corticoefferent feedback in primary sensory cortex promotes detection of behaviorally relevant stimuli.</a> The Journal of Neuroscience. 34 (4), 1234-1247 (2014).</li>
<li>Deliano, M., Scheich, H., Ohl, F. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Auditory+cortical+activity+after+intracortical+microstimulation+and+its+role+for+sensory+processing+and+learning%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Auditory cortical activity after intracortical microstimulation and its role for sensory processing and learning.</a> The Journal of Neuroscience. 29 (50), 15898-15909 (2009).</li>
<li>DeYoe, E. A., Lewine, J. D., Doty, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laminar+variation+in+threshold+for+detection+of+electrical+excitation+of+striate+cortex+by+macaques%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Laminar variation in threshold for detection of electrical excitation of striate cortex by macaques.</a> Journal of Neurophysiology. 94 (5), 3443-3450 (2005).</li>
<li>Tehovnik, E. J., Slocum, W. M., Schiller, P. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Delaying+visually+guided+saccades+by+microstimulation+of+macaque+V1%3A+spatial+properties+of+delay+fields%5BTitle%5D)+AND+%22The+European+Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Delaying visually guided saccades by microstimulation of macaque V1: spatial properties of delay fields.</a> The European Journal of Neuroscience. 22 (10), 2635-2643 (2005).</li>
<li>Wetzel, W., Wagner, T., Ohl, F. W., Scheich, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Categorical+discrimination+of+direction+in+frequency-modulated+tones+by+Mongolian+gerbils%5BTitle%5D)+AND+%22Behavioural+Brain+Research%22%5BJournal%5D)">Categorical discrimination of direction in frequency-modulated tones by Mongolian gerbils.</a> Behavioural Brain Research. 91, 29-39 (1998).</li>
<li>Cain, C. K., LeDoux, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Escape+from+fear%3A+a+detailed+behavioral+analysis+of+two+atypical+responses+reinforced+by+CS+termination%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Experimental+Psychology.+Animal+behavior+processes%22%5BJournal%5D)">Escape from fear: a detailed behavioral analysis of two atypical responses reinforced by CS termination.</a> Journal of Experimental Psychology. Animal behavior processes. 33, 451-463 (2007).</li>
<li>Stark, H., Rothe, T., Deliano, M., Scheich, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamics+of+cortical+theta+activity+correlates+with+stages+of+auditory+avoidance+strategy+formation+in+a+shuttle-box%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Dynamics of cortical theta activity correlates with stages of auditory avoidance strategy formation in a shuttle-box.</a> Neuroscience. 151, 467-475 (2008).</li>
<li>Ohl, F. W., Wetzel, W., Wagner, T., Rech, A., Scheich, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bilateral+ablation+of+auditory+cortex+in+Mongolian+gerbil+affects+discrimination+of+frequency+modulated+tones+but+not+of+pure+tones%5BTitle%5D)+AND+%22Learning+%26+Memory%22%5BJournal%5D)">Bilateral ablation of auditory cortex in Mongolian gerbil affects discrimination of frequency modulated tones but not of pure tones.</a> Learning & Memory. 6 (4), 347-362 (1999).</li>
<li>Kurt, S., Ehret, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Auditory+discrimination+learning+and+knowledge+transfer+in+mice+depends+on+task+difficulty%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Auditory discrimination learning and knowledge transfer in mice depends on task difficulty.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (18), 8481-8485 (2010).</li>
<li>Happel, M. F. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+cognitive+flexibility+in+reversal+learning+induced+by+removal+of+the+extracellular+matrix+in+auditory+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Enhanced cognitive flexibility in reversal learning induced by removal of the extracellular matrix in auditory cortex.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (7), 2800-2805 (2014).</li>
<li>Thomas, H., Tillein, J., Heil, P., Scheich, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+organization+of+auditory+cortex+in+the+mongolian+gerbil+%28Meriones+unguiculatus%29.+I.+Electrophysiological+mapping+of+frequency+representation+and+distinction+of+fields%5BTitle%5D)+AND+%22The+European+journal+of+neuroscience%22%5BJournal%5D)">Functional organization of auditory cortex in the mongolian gerbil (Meriones unguiculatus). I. Electrophysiological mapping of frequency representation and distinction of fields.</a> The European journal of neuroscience. 5, 882-897 (1993).</li>
<li>Budinger, E., Heil, P., Scheich, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+organization+of+auditory+cortex+in+the+Mongolian+gerbil+%28Meriones+unguiculatus%29.+III.+Anatomical+subdivisions+and+corticocortical+connections%5BTitle%5D)+AND+%22European+Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Functional organization of auditory cortex in the Mongolian gerbil (Meriones unguiculatus). III. Anatomical subdivisions and corticocortical connections.</a> European Journal of Neuroscience. 12, 2425-2451 (2000).</li>
<li>Langford, D. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coding+of+facial+expressions+of+pain+in+the+laboratory+mouse%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Methods%22%5BJournal%5D)">Coding of facial expressions of pain in the laboratory mouse.</a> Nature Methods. 7 (6), 447-449 (2010).</li>
<li>Ohl, F. W., Scheich, H., Freeman, W. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Change+in+pattern+of+ongoing+cortical+activity+with+auditory+category+learning%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Change in pattern of ongoing cortical activity with auditory category learning.</a> Nature. 412 (6848), 733-736 (2001).</li>
<li>Scheich, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Behavioral+semantics+of+learning+and+crossmodal+processing+in+auditory+cortex%3A+the+semantic+processor+concept%5BTitle%5D)+AND+%22Hearing+Research%22%5BJournal%5D)">Behavioral semantics of learning and crossmodal processing in auditory cortex: the semantic processor concept.</a> Hearing Research. 271 (1-2), 3-15 (2011).</li>
<li>Happel, M. F. K., Jeschke, M., Ohl, F. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectral+integration+in+primary+auditory+cortex+attributable+to+temporally+precise+convergence+of+thalamocortical+and+intracortical+input%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Spectral integration in primary auditory cortex attributable to temporally precise convergence of thalamocortical and intracortical input.</a> The Journal of Neuroscience. 30 (33), 11114-11127 (2010).</li>
<li>Ranck, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Which+elements+are+excited+in+electrical+stimulation+of+mammalian+central+nervous+system%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Research%22%5BJournal%5D)">Which elements are excited in electrical stimulation of mammalian central nervous system: a review.</a> Brain Research. 98, 417-440 (1975).</li>
<li>Clark, K. L., Armstrong, K. M., Moore, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+neural+circuitry+and+function+with+electrical+microstimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings.+Biological+sciences+%2F+The+Royal+Society%22%5BJournal%5D)">Probing neural circuitry and function with electrical microstimulation.</a> Proceedings. Biological sciences / The Royal Society. 278 (1709), 1121-1130 (2011).</li>
<li>Ilango, A., Shumake, J., Wetzel, W., Scheich, H., Ohl, F. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrical+stimulation+of+lateral+habenula+during+learning%3A+frequency-dependent+effects+on+acquisition+but+not+retrieval+of+a+two-way+active+avoidance+response%5BTitle%5D)+AND+%22PloS+one%22%5BJournal%5D)">Electrical stimulation of lateral habenula during learning: frequency-dependent effects on acquisition but not retrieval of a two-way active avoidance response.</a> PloS one. 8 (6), e65684(2013).</li>
<li>Weible, A. P., McEchron, M. D., Disterhoft, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cortical+involvement+in+acquisition+and+extinction+of+trace+eyeblink+conditioning%5BTitle%5D)+AND+%22Behavioral+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Cortical involvement in acquisition and extinction of trace eyeblink conditioning.</a> Behavioral Neuroscience. 114, 1058-1067 (2000).</li>
<li>Rothe, T., Deliano, M., Scheich, H., Stark, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Segregation+of+task-relevant+conditioned+stimuli+from+background+stimuli+by+associative+learning%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Research%22%5BJournal%5D)">Segregation of task-relevant conditioned stimuli from background stimuli by associative learning.</a> Brain Research. 1297, 143-159 (2009).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Protokół ten opisuje metodę jednoczesnego specyficznego dla miejsca ICMS i wielokanałowych zapisów elektrofizjologicznych u uczącego się zwierzęcia przy użyciu dwukierunkowego systemu wahadłowców sterowanych wstrząsem stopowym. W protokole podkreślono kluczowe pojęcia techniczne dla takiej kombinacji i zwrócono uwagę na znaczenie uziemienia zwierzęcia wyłącznie za pomocą wspólnej elektrody uziemiającej, pozostawiając dno siatki przy zmiennym napięciu. W tym przypadku uczenie się przez czółenka słuchowe zostało zastosowan...

Podstawowym celem neuronauki behawioralnej jest ustanowienie konkretnych powiązań między strukturalnymi i funkcjonalnymi właściwościami neuronów, uczeniem się i percepcją. Aktywność neuronalna związana z percepcją i uczeniem się może być badana poprzez elektrofizjologiczny zapis potencjałów czynnościowych i lokalnych potencjałów pola w różnych strukturach mózgu w wielu miejscach. Podczas gdy zapisy elektrofizjologiczne dostarczają skorelowanych powiązań między aktywnością neuronalną a zachowaniem, bezpośrednia elektryczna mikrostymulacja wewnątrzkorowa (ICMS) od ponad wieku jest najbardziej bezpośrednią metodą badania związków przyczynowych pobudzonych populacji neuronów oraz ich skutków behawioralnych i percepcyjnych 1-3. Wiele badań wykazało, że zwierzęta są w stanie wykorzystać różne przestrzenne i czasowe właściwości bodźców elektrycznych w zadaniach percepcyjnych, w zależności od miejsca stymulacji w np. regionach retinotopowych4, tonotopowych5 lub somatotopowych6 w korze mózgowej. Propagacja elektrycznie wywołanej aktywności w korze mózgowej jest zdeterminowana głównie przez układ włókien aksonalnych i ich rozproszoną łączność synaptyczną2, która w korze jest wyraźnie zależna od warstwy7. Wynikowa aktywacja polisynaptyczna wywołana przez ICMS jest odtąd znacznie bardziej rozpowszechniona niż bezpośrednie efekty pola elektrycznego2,8,9. To wyjaśnia, dlaczego progi efektów percepcyjnych wywoływanych przez mikrostymulację wewnątrzkorową mogą być silnie zależne od warstwy8,10,11 i zależne od miejsca9. Niedawne badanie wykazało szczegółowo, że stymulacja górnych warstw powodowała szerszą aktywację obwodów korowo-korowych głównie w warstwach nadziarnistych, podczas gdy stymulacja głębszych warstw kory powodowała ogniskową, nawracającą korowo-odprowadzającą aktywację wewnątrzkolumnową. Równoległe eksperymenty behawioralne wykazały, że ten ostatni ma znacznie niższe progi wykrywania percepcyjnego8. W związku z tym wykorzystano przewagę specyficznych dla miejsca ICMS jako bodźców warunkowych w połączeniu z zapisami elektrofizjologicznymi, aby przyczynowo powiązać określone aktywacje obwodów korowych8 z behawioralnymi pomiarami uczenia się i percepcji w loży.
Paradygmat dwukierunkowej skrzynki wahadłowej jest dobrze znanym urządzeniem laboratoryjnym do badania uczenia się unikania12. Skrzynka wahadłowa składa się z 2 przedziałów oddzielonych płotkiem lub drzwiami. Po bodźcu warunkowym (CS), który jest reprezentowany przez odpowiedni sygnał, taki jak światło lub dźwięk, następuje warunkowo bodziec awersyjny bezwarunkowy (US), jak na przykład uderzenie stopy o podłogę z metalowej siatki. Badani mogą nauczyć się unikać Stanów Zjednoczonych poprzez przemieszczanie się z jednego przedziału wahadłowca do drugiego w odpowiedzi na CS. Uczenie się w skrzynce wahadłowej obejmuje sekwencję rozróżnialnych faz uczenia się13,14: Po pierwsze, badani uczą się przewidywać Stany Zjednoczone z CS poprzez warunkowanie klasyczne i uciekać z USA poprzez warunkowanie instrumentalne, ponieważ Stany Zjednoczone są przerywane po przeniesieniu. W następnej fazie, badani uczą się całkowicie unikać Stanów Zjednoczonych poprzez przemieszczanie się w odpowiedzi na CS przed wystąpieniem USA (reakcja unikania). Ogólnie rzecz biorąc, uczenie się w skrzynce wahadłowej obejmuje warunkowanie klasyczne, warunkowanie instrumentalne, a także zachowanie ukierunkowane na cel, w zależności od fazyuczenia się 14.
Procedura shuttle-box może być łatwo skonfigurowana i zazwyczaj zapewnia solidne zachowanie po kilku codziennych sesjach treningowych15-17. Oprócz prostego warunkowania unikania (wykrywania), shuttle-box może być dalej wykorzystywany do badania dyskryminacji bodźców poprzez zastosowanie paradygmatów go/nogo. Tutaj zwierzęta są szkolone, aby unikać USA poprzez reakcję warunkową (CR) (zachowanie go; przemieszczanie się do przeciwległego przedziału) w odpowiedzi na bodziec go (CS+) i zachowanie nogo (pozostawanie w obecnym przedziale; brak CR) w odpowiedzi na bodziec nogo (CS-). Równoległa mikrostymulacja i rejestracja aktywności neuronalnej za pomocą układów wieloelektrodowych o dużej gęstości pozwala na badanie mechanizmów fizjologicznych leżących u podstaw skutecznego uczenia się. Omówionych zostanie kilka szczegółów technicznych, które mają fundamentalne znaczenie dla udanego połączenia treningu w loży, ICMS i elektrofizjologii równoległej.

<table><tbody><tr><td>Drut ze stali nierdzewnej izolowany teflonem</td><td>California Fine Wire</td><td></td><td>o średnicy 50&mikro; m z izolacją</td></tr><tr><td>System złączy pinowych&nbsp;</td><td>Molex Holding GmbH</td><td>510470200</td><td>Siatka PicoBlade TEM o podziałce 1,25 mm</td></tr><tr><td>Quantifoil</td><td>Science Services</td><td>EQ225-N27</td><td></td></tr><tr><td>Akryl dentystyczny Paladur</td><td>Heraeus Kulzer</td><td>64707938</td><td></td></tr><tr><td>Wiertarka ręczna OmniDrill35</td><td>WPI&nbsp;</td><td></td><td></td>503599</tr><tr><td>Ketamina 500mg/10ml</td><td>Ratiopharm GmbH</td><td>7538837</td><td></td></tr><tr><td>Rompun 2%, 25ml</td><td>Bayer Vital GmbH</td><td>5066.0</td><td></td></tr><tr><td>Chlorek sodu 0,9%, 10ml</td><td>B.Braun AG&nbsp;</td><td></td><td></td>PRID00000772</tr><tr><td>Smar KY-Jelly</td><td>Johnson & Johnson</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Shuttle-box E10-E15</td><td>Coulbourn Instruments</td><td>H10-11M-SC</td><td></td></tr><tr><td>Generator bodźców MCS STG 2000</td><td>Systemy</td><td></td><td></td>wielokanałowe</tr><tr><td>Plexon do stacji czołowej 32V-G20</td><td>Plexon Inc.</td><td>HSC/32V-G20</td><td></td></tr><tr><td>Scena czołowa Plexon&nbsp; 32V-G20</td><td>Plexon Inc.</td><td>HST/32V-G20</td><td></td></tr><tr><td>PBX przedwzmacniacz 32-kanałowy</td><td>Plexon Inc.</td><td>32PBX box</td><td></td></tr><tr><td>Wielokanałowy system akwizycji</td><td>Plexon Inc.</td><td>MAP 32/HLK2</td><td></td></tr><tr><td>Cryostate CM3050 S</td><td>Leica Microsystems GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Karta przetwarzania sygnału Ni-Daq</td><td>National Instruments</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Lab StandardTM Instrumenty stereotaktyczne</td><td>Stoelting Co.&nbsp;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tłumik dźwięku g.pah</td><td>g.pah Guger technologies</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Octan fioletu kresylowego</td><td>Roth GmbH</td><td>7651.2</td><td></td></tr><tr><td>Roticlear&nbsp;</td><td>Roth GmbH</td><td>A538.1</td><td></td></tr><tr><td>Trójwodny octan sodu</td><td>Roth GmbH</td><td>6779.1</td><td></td></tr><tr><td>Trójwodzian heksacyjanożelazratu(II) potasu</td><td>Roth GmbH</td><td>7974.2</td><td></td></tr><tr><td>Dihydrat wodorofosforanu disodowego</td><td>Merck</td><td>1,065,801,000</td><td></td></tr><tr><td>ICM Moduł kondycjonowania impedancji</td><td>FHC</td><td>55-70-0</td><td></td></tr><tr><td>Regulator temperatury zwierząt</td><td>Światowe Instrumenty Precyzyjne</td><td>ATC2000</td><td></td></tr></tbody></table>

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

Combined Shuttle-Box Training with Electrophysiological Cortex Recording and Stimulation as a Tool to Study Perception and Learning

Nauka unikania pudełek wahadłowych jest dobrze znaną metodą w neuronauce behawioralnej, a eksperymentalne konfiguracje były tradycyjnie wykonywane na zamówienie; niezbędny sprzęt jest teraz dostępny w kilku firmach komercyjnych. Protokół ten zawiera szczegółowy opis paradygmatu uczenia się unikania dwukierunkowych skrzynek wahadłowych u gryzoni (tutaj myszoskoczki mongolskie; Meriones unguiculatus) w połączeniu z miejscową elektryczną mikrostymulacją wewnątrzkorową (ICMS) i jednoczesnymi przewlekłymi zapisami elektrofizjologicznymi in vivo. Szczegółowy protokół ma zastosowanie do badania wielu aspektów uczenia się, zachowania i percepcji u różnych gatunków gryzoni.
Specyficzny dla miejsca ICMS obwodów kory słuchowej jako bodźce warunkowe jest tutaj używany jako narzędzie do testowania percepcyjnej trafności konkretnych połączeń aferentnych, odprowadzających i wewnątrzkorowych. Wyraźne wzorce aktywacji mogą być wywołane przez zastosowanie różnych układów elektrod stymulacyjnych dla lokalnych, zależnych od warstwy ICMS lub odległych miejsc ICMS. Wykorzystując analizę wykrywania sygnałów behawioralnych, można określić, która strategia stymulacji jest najskuteczniejsza w wywoływaniu behawioralnie wykrywalnego i istotnego sygnału. Co więcej, równoległe wielokanałowe nagrania wykorzystujące różne konstrukcje elektrod (elektrody powierzchniowe, elektrody głębokościowe itp.) pozwalają na badanie neuronalnych obserwabli w czasie trwania takich procesów uczenia się. Omówione zostanie, w jaki sposób zmiany w projekcie behawioralnym mogą zwiększyć złożoność poznawczą (np. wykrywanie, dyskryminacja, uczenie się odwrócone).

Ta sekcja przedstawia reprezentatywny przykład uczenia się w skrzynce wahadłowej u gerbila mongolskiego. Obiekt został wytrenowany w rozróżnianiu miejsca ICMS pomiędzy dwiema elektrodami stymulującymi implantowanymi w odstępach 700 µm od siebie w korze słuchowej (Ryc. 1 i 2). Układy stymulujące mogą być dostosowywane do różnych projektów przestrzennych (Ryc. 1). W tym przypadku rozróżnianie dwóch miejsc ICMS zostało opanowane w ciągu 3 sesji treningowych z prezentacją 30 bodźców CS+ i CS...

Nauka unikania shuttle-boxów jest dobrze ugruntowana w neuronauce behawioralnej. Protokół ten opisuje, w jaki sposób uczenie się w pudełku wahadłowym u gryzoni można połączyć z specyficzną dla miejsca elektryczną mikrostymulacją wewnątrzkorową (ICMS) i jednoczesnymi przewlekłymi zapisami in vivo jako narzędzie do badania wielu aspektów uczenia się i percepcji.

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

Shuttle-box avoidance learning is a well-established method in behavioral neuroscience and experimental setups were traditionally custom-made; the ...

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.

combined-shuttle-box-training-with-electrophysiological-cortex

Research

JoVE Journal

Behavior

Zachowanie

Opisano zastosowanie klasycznego behawioralnego paradygmatu warunkowania lękowego w badaniach nad protezami słuchowymi u szczurów. Paradygmat ten umożliwia identyfikację zarówno detekcji, jak i rozróżniania między odmiennymi bodźcami akustycznymi i elektrycznymi, wykorzystując tętno jako miernik wyniku.

Behawioralne określenie dyskryminacji par bodźców słuchowych, akustycznych i elektrycznych z zastosowaniem warunkowania klasycznego i analizy tętna

Ten film pokazuje proces rejestrowania aktywności neuronalnej kory mózgowej i podkorowej za pomocą elektrod elektroencefalograficznych (EEG) i głębokiej stymulacji mózgu (DBS) podczas testu stymulacji wzrokowej opartej na uwadze.

Rejestrowanie aktywności neuronalnej kory mózgowej i podkorowej za pomocą systemów elektrod

Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS) nad móżdżkiem wywiera odległy wpływ na korę przedczołową, która może modulować funkcje poznawcze i wydajność. Zostało to zademonstrowane za pomocą dwóch zadań przetwarzania informacji o różnym stopniu złożoności, przy czym tylko katodowy tDCS poprawiał wydajność, gdy zadanie było trudne, ale nie łatwe.

Modulacja funkcji poznawczych za pomocą przezczaszkowej stymulacji móżdżku prądem stałym

Ten protokół opisuje, jak tymczasowo i zdalnie wyciszyć aktywność neuronalną w dyskretnych obszarach mózgu, podczas gdy szczury są zaangażowane w zadania związane z uczeniem się i pamięcią. Podejście to łączy farmakogenetykę (Designer-Receptors-Exclusively-Activated-by-Designer-Drugs) z paradygmatem behawioralnym (sensoryczne warunkowanie wstępne), które ma na celu rozróżnienie różnych elementów uczenia się.

Metoda zdalnego wyciszania aktywności neuronalnej u gryzoni podczas dyskretnych faz uczenia się

Tutaj opisujemy protokół korzystania z przezczaszkowej stymulacji prądem stałym w eksperymentach psycho- i neurolingwistycznych mających na celu zbadanie, w naturalistyczny, ale w pełni kontrolowany sposób, roli obszarów korowych ludzkiego mózgu w uczeniu się słów oraz kompleksowy zestaw procedur behawioralnych do oceny wyników.

Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS) obszarów Wernickego i Broki w badaniach nad uczeniem się języków obcych i przyswajaniem słów

Pokazujemy protokoły modulacji (tDCS, HD-tDCS) i mapowania (TMS robota) kory ruchowej u dzieci.

Nieinwazyjna modulacja i robotyczne mapowanie kory ruchowej w rozwijającym się mózgu

Uczenie się i pamięć są potężnymi wskaźnikami w badaniu zaburzeń poznawczych wywołanych przez rozwój, chorobę lub środowisko. Większość ocen poznawczych wymaga specjalistycznego sprzętu i dużego zaangażowania czasowego. Jednak test shuttle box jest narzędziem do uczenia się asocjacyjnego, które wykorzystuje konwencjonalne pudełko żelowe do szybkiej i wiarygodnej oceny funkcji poznawczych dorosłych danio pręgowanego.

Test Shuttle Box jako narzędzie asocjacyjnego uczenia się do oceny poznawczej w badaniach nad uczeniem się i pamięcią przy użyciu dorosłych danio pręgowanego

Opracowaliśmy pojedynczą platformę do śledzenia zachowań zwierząt podczas dwóch zadań związanych z nauką asocjacyjną zależnych od włókien wspinaczkowych. Niedroga konstrukcja umożliwia integrację z eksperymentami optogenetycznymi lub obrazowymi ukierunkowanymi na aktywność móżdżku związaną ze wspinaniem się włókien.

Elastyczna platforma do monitorowania sensorycznego uczenia się asocjacyjnego zależnego od móżdżku

Ten protokół ma na celu zbadanie podstawowych zmian elektrofizjologicznych związanych z uczeniem się u osób z głęboką głuchotą po krótkim okresie szkolenia w zakresie audio-dotykowej substytucji sensorycznej poprzez zastosowanie techniki potencjału związanego ze zdarzeniem.

Ocena treningu audio-dotykowej substytucji sensorycznej u uczestników z głęboką głuchotą z wykorzystaniem techniki potencjału związanego ze zdarzeniem

Protokół ten przedstawia skrzynkę behawioralną opartą na mikrokontrolerze do oceny hamowania przedimpulsowego (PPI) poprzez zbieranie danych o przyspieszeniu z czujnika znajdującego się pod skrzynką. Dane te oceniają deficyty bramkowania sensorycznego u społecznie izolowanych szczurów, z dodatkową metodą synchronizacji danych z aktywnością neuronalną w celu przyspieszenia badań neurofizjologicznych nad zaburzeniami zachowania.

Opracowanie pudełka behawioralnego do oceny hamowania prepulsu i aktywności neuronalnej w psychiatrycznych modelach zwierzęcych

Badanie zaproponowało eksperymentalny paradygmat stosujący wysokorozdzielczą przezczaszkową stymulację prądem stałym (HD-tDCS) w celu poprawy metapoznania człowieka w zadaniach delegacji człowieka do AI. Wyniki wykazały skuteczność HD-tDCS w poprawie wrażliwości metapoznawczej.

Wysokorozdzielcza przezczaszkowa stymulacja prądem stałym w prawym grzbietowo-bocznym korze czołowej w celu zwiększenia wrażliwości metapoznawczej

Poznaj metodę treningu w skrzynce wahadłowej z rejestracją i stymulacją kory słuchowej u gryzoni. Ta technika pozwala badać związki między aktywnością neuronalną a stanami poznawczymi podczas uczenia się.

Połączony trening w skrzynce wahadłowej z rejestracją i stymulacją kory elektrofizjologicznej jako narzędziem do badania percepcji i uczenia się (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów