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

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest ocena i manipulowanie masowym działaniem neuronów i neurodynamiką podczas uczenia się. Osiąga się to poprzez wszczepienie najpierw układów wieloelektrodowych, które umożliwiają jednoczesną stymulację i rejestrację aktywności neuronalnej w korze słuchowej w zależności od miejsca. W drugim wszczepionym kroku zwierzęta są szkolone w dwukomorowym pudełku wahadłowym w paradygmacie "go no-go", jednocześnie rejestrując trwającą aktywność neuronalną w korze słuchowej i wykorzystując mikrostymulację wewnątrzkorową do warunkowania.

Następnie, analiza zachowań związanych z uczeniem się i wzorców aktywności czasoprzestrzennej związanej z uczeniem się jest przeprowadzana na zasadzie próba po próbie w trybie offline. Wyniki pokazują, w jaki sposób specyficzna dla miejsca mikrostymulacja korowa może być wykorzystana do wywołania wzorców aktywności czasoprzestrzennej, które pozwalają scharakteryzować wewnętrzne subiektywne stany poznawcze. W ten sposób metoda ta ustanawia powiązania między wzorcami aktywności obwodów korowych a obserwowanymi stanami behawioralnymi uczenia się i percepcji.

Opisane tu techniki pokazują, że nie tylko możliwe jest powiązanie indywidualnych wzorców aktywności kory mózgowej ze zdefiniowanymi stanami behawioralnymi i poznawczymi, ale że możliwe jest również wywołanie za pomocą symulacji elektrycznej zdefiniowanych percepcji, które można powiązać z różnymi zachowaniami. Odkrycia te są rozszerzone w kierunku opracowania neuroprotetycznej substytucji utraconych funkcji czuciowych. Metodę tę można również zastosować do innych gatunków gryzoni, takich jak szczury i myszy.

Ogólnie rzecz biorąc, osoby nowe w tej metodzie będą miały trudności, ponieważ doświadczenie i dobrze rozwinięte standardy w obchodzeniu się ze zwierzętami i szkoleniu są wymagane, aby uzyskać dobre wyniki z tych eksperymentów edukacyjnych. Najpierw przygotowywane są stymulujące wielokanałowe układy elektrod, a następnie chirurgicznie wszczepiane do kory słuchowej. Zgodnie z instrukcjami zawartymi w pisemnej części protokołu, pozostała część procedury rozpoczyna się dopiero po całkowitym wyzdrowieniu zwierząt po operacji.

Matryce zewnątrzoponowe są wykonane z drutu ze stali nierdzewnej ułożonego w matrycę trzy na sześć z odległością między elektrodami około 600 mikronów. Podłącz stopień główny amplifier do do nagrywania. Użyj wiązki cienkich elastycznych owiniętych metalową siatką, aby chronić połączenie przed uszkodzeniem przez gryzące zwierzęta.

Użyj przedwzmacniacza w ekranowanej skrzynce, aby zwiększyć stosunek sygnału do szumu i przepustowość pasma. Przefiltruj sygnał w żądanym zakresie częstotliwości dla nagrań potencjału pola lokalnego. Próbkowanie danych z częstotliwością próbkowania większą niż jeden kiloherc z filtrem od dwóch do 300 Hz W przypadku zapisów potencjału czynnościowego należy użyć częstotliwości próbkowania co najmniej 40 kiloherców i filtra od 300 do 4 000 Hz.

Aby rozpocząć test behawioralny, użyj skrzynki wahadłowej w komorze ekranowanej akustycznie i elektrycznie. Pudełko zawiera dwie przegrody oddzielone płotkiem. Używaj wysokości przeszkód odpowiednich dla określonych gatunków, ponieważ wysokość przeszkody wpływa na stronniczość behawioralną odpowiedzi.

Po podłączeniu badanego zwierzęcia do rejestrującego i stymulującego, delikatnie umieść zwierzę w komorze treningowej i pozwól mu się przyzwyczaić na trzy minuty przed rozpoczęciem sesji, zapisz wszystkie zmiany w kompartmencie w fazie habituacji. Dokładnie sprawdź jakość nagrania przed rozpoczęciem treningu. Zastosuj szybki filtr transformaty Fouriera online do sygnału, aby określić amplitudę szumu 50 herców.

Na koniec dokładnie sprawdź wszystkie połączenia między złączem głowicy, adapterami, stopniami głowicy, wiązką kablową i wzmacniaczami. Użyj stymulatora wielokanałowego, aby dostarczyć mikrostymulację wewnątrzkorową do elektrod stymulacyjnych w celu stymulacji warunkowej. Dostarcz bodziec warunkowy, a następnie dostarcz bodziec bezwarunkowy wstrząsu stopy przez podłogę siatki, upewnij się, że siła dostarczonego wstrząsu jest awersyjna, ale nie bolesna.

Jak widać tutaj. Przedstaw puste próby bez bezwarunkowego bodźca i bodźca warunkowego przeplatanego między badaniami w celu skorygowania poprzez subtelne zachowanie. Sklasyfikuj zmianę przedziału po wystąpieniu uwarunkowanych bodźców w krytycznym oknie czasowym wynoszącym cztery sekundy jako reakcję na trafienie.

Jeśli reakcja warunkowa nie wystąpi w odpowiedzi na bodziec warunkowy w krytycznym oknie czasowym, natychmiast wywołaj łagodny wstrząs stopy przez sześć do 10 sekund. Ponieważ bodziec bezwarunkowy klasyfikuje to jako brak w próbach z negatywnym bodźcem warunkowym, zmiana przedziału w krytycznym oknie czasowym jest klasyfikowana jako fałszywa reakcja alarmowa. Zastosuj bodziec bezwarunkowy na maksymalnie 10 sekund natychmiast po tej niewłaściwej reakcji warunkowej.

Nie należy stosować bezwarunkowego bodźca wstrząsu stopowego po próbach z ujemnym bodźcem warunkowym, gdy zwierzę pozostaje w przedziale w krytycznym oknie czasowym. Sklasyfikuj to jako prawidłowe odrzucenie po całym eksperymencie to pełna kontrola stabilnej pozycji układu elektrod stymulacyjnych, zapewnienie znieczulenia chirurgicznego, a następnie zastosowanie monopolarnego prądu katartycznego dostarczanego przez wszystkie kanały stymulacji w celu uzyskania złogów żelaza w tkance w pozycji implantacji. Dokładnie określ opóźnienia ucieczki online zwiększony krok siły na wstrząsy stopy, jeśli opóźnienia ucieczki są dłuższe niż dwie sekundy.

Po pierwszych 20 próbach w celu przeanalizowania danych treningowych, oblicz wskaźniki reakcji warunkowej dla prób z pozytywnym bodźcem warunkowym i negatywnym bodźcem warunkowym, jak pokazano na wykresie ekranu: Wskaźniki reakcji warunkowej jako funkcja sesji lub bloku próbnego w celu oceny postępów w treningu i dynamiki uczenia się. Na koniec przeprowadź głęboką analizę pierwszą zgodnie z instrukcjami zawartymi w pisemnej części protokołu. Indeks wrażliwości z głęboką liczbą pierwszą większą niż jeden może być użyty jako kryterium progowe dla udanych opóźnień reakcji na dyskryminację podczas badań pozytywnych bodźców stanowych są tutaj wykreślane dla poszczególnych prób We wszystkich sesjach treningowych wszystkie odpowiedzi z opóźnieniami poniżej sekund odpowiadają udanym reakcjom na trafienie.

Histogramy opóźnień odpowiedzi są bimodalne i odpowiadają odpowiedziom HIIT w czasie krótszym niż sześć sekund i reakcjom ucieczki w czasie krótszym niż sześć do ośmiu sekund. Jest to typowy przykład elektrycznie wywołanego potencjału lub EEP od pojedynczego zwierzęcia uśrednionego w próbach z pozytywnym wynikiem bodźca warunkowego w jednej sesji treningu, EEP jest pokazane przed usunięciem artefaktów bodźca jednopulsywnego w kolorze czarnym, a po usunięciu artefaktów w kolorze czerwonym. Wczesny wyraźny ujemny pik znany jako N dwa zero można zaobserwować z opóźnieniem wynoszącym 20 milisekund.

Rysunek ten przedstawia dalszą analizę rozkładów przestrzennych amplitudy N dwóch zerowych w odpowiedzi na bodziec w stanie dodatnim na elektrodzie stymulacji rostralnej w górnym panelu oraz na bodziec w stanie ujemnym na elektrodzie stymulacji dorszowej. W dolnym panelu ujawnia to przestrzenną rozdzielczość wywołanych stanów w całej korze słuchowej. Podejmując tę procedurę, należy pamiętać, że uziemienie podłogi siatki ma kluczowe znaczenie dla uzyskania wysokiej jakości zapisu elektrofizjologicznego, a także prawidłowego dostarczenia stymulacji elektrycznej Po tej procedurze.

Inne metody, takie jak manipulacje optogenetyczne i farmakologiczne, mogą być włączone do protokołu w celu zbadania określonych typów komórek i systemów przekaźnikowych w obwodach korowych podczas percepcji i uczenia się. Technika ta toruje drogę naukowcom w tej dziedzinie od zwykłego korelowania do bardziej przyczynowego opisu roli dynamiki neuronów w funkcjach uczenia się i pamięci.