Algı ve Öğrenme Eğitim bir aracı olarak Elektrofizyolojik Cortex Kayıt ve Stimülasyon ile Servisi-Box Eğitim Kombine

Aşağıdaki deneyin genel amacı, öğrenme sırasında nöral kütle etkisini ve nörodinamiği değerlendirmek ve manipüle etmektir. Bu işlem, öncelikle işitsel kortekste bölgeye özgü eşzamanlı stimülasyon ve nöronal aktivite kaydına olanak tanıyan çok elektrotlu dizilerin implante edilmesiyle gerçekleştirilir. İkinci adım olarak, implante edilen hayvanlar, işitsel korteksteki süregelen nöronal aktivite kaydedilirken ve koşullandırma için intrakortikal mikro stimülasyon kullanılırken, iki bölmeli bir mekik kutusunda "git/gitme" (go no-go) paradigması ile eğitilirler.

Ardından, öğrenme davranışı ve öğrenmeyle ilişkili spatiotemporal aktivite modellerinin analizi, her deneme bazında çevrimdışı olarak gerçekleştirilir. Sonuçlar, bölgeye özgü kortikal mikro stimülasyonun, içsel sübjektif bilişsel durumların karakterize edilmesini sağlayan spatiotemporal aktivite modellerini uyarmak için nasıl kullanılabileceğini göstermektedir. Böylece bu yöntem, kortikal devre aktivite modelleri ile gözlemlenen öğrenme ve algı davranışsal durumları arasında bağlantılar kurar.

Burada açıklanan teknikler, bireysel kortikal aktivite modellerini tanımlanmış davranışsal ve bilişsel durumlarla ilişkilendirmenin sadece mümkün olmadığını, aynı zamanda elektriksel stimülasyon yoluyla farklı davranışlarla ilişkilendirilebilen tanımlanmış algıların uyandırılmasının da mümkün olduğunu göstermektedir. Bu bulguların genişletilmesi, kaybolan duyusal fonksiyonlar için nöroprotez ikamesinin geliştirilmesine yöneliktir. Bu yöntem, sıçanlar ve fareler gibi diğer kemirgen türlerine de uygulanabilir.

Genel olarak, bu yöntemde yeni olan kişiler zorluk yaşayacaklardır; çünkü bu öğrenme deneylerinden iyi sonuçlar elde etmek için hayvanların tutulması ve eğitilmesi konusunda deneyim ve iyi geliştirilmiş standartlar gereklidir. İlk olarak stimülatör çok kanallı elektrot dizileri hazırlanır ve ardından cerrahi olarak işitsel kortekse implante edilir. Protokolün yazılı bölümündeki talimatlara göre, prosedürün geri kalanı ancak hayvanlar cerrahi operasyondan tamamen iyileştikten sonra başlar.

Epidural yüzey dizileri, elektrotlar arası mesafesi yaklaşık 600 mikron olan üç çarpı altı matris şeklinde düzenlenmiş paslanmaz çelik tellerden yapılır. Baş aşaması amplifikatörünü kayıt kablosuna takın. Bağlantıyı hayvanların ısırmasından kaynaklanabilecek hasarlardan korumak için metal örgüyle sarılmış ince, esnek kablolardan oluşan bir düzenek kullanın.

Sinyal-gürültü oranını ve bant genişliğini artırmak için korumalı kutu içinde bir ön yükseltici kullanın. Yerel alan potansiyeli kayıtları için sinyali istenen frekans aralığında filtreleyin. Verileri, 2 ila 300 Hz filtre ile 1 kHz'den daha yüksek bir örnekleme frekansında örnekleyin. Aksiyon potansiyeli kayıtları için en az 40 kHz örnekleme frekansı ve 300 ila 4.000 Hz filtre kullanın.

Davranış testine başlamak için akustik ve elektrik olarak yalıtılmış bir bölme içerisinde bir shuttle box (mekik kutusu) kullanın. Kutu, bir engelle birbirinden ayrılmış iki bölmeden oluşur. Engelin yüksekliği yanıtın davranışsal eğilimini etkilediği için ilgili türlere uygun engel yükseklikleri kullanın.

Test edilecek hayvanı kayıt ve stimülasyon kablosuna bağladıktan sonra, hayvanı nazikçe eğitim haznesine yerleştirin ve bir oturum başlamadan önce üç dakika boyunca alışmasına izin verin; alışma evresindeki tüm bölme değişikliklerini kaydedin. Eğitime başlamadan önce kayıt kalitesini dikkatlice kontrol edin. 50 hertz gürültünün genliğini belirlemek için sinyale çevrimiçi bir hızlı Fourier dönüşümü filtresi uygulayın.

Son olarak, baş konnektörü, adaptörler, baş kademeleri, kablo demeti ve amplifikatörler arasındaki tüm bağlantıları tekrar kontrol edin. Koşullandırılmış stimülasyon için stimülasyon elektrotlarına intrakortikal mikro stimülasyon uygulamak üzere çok kanallı bir stimülatör kullanın. Koşullandırılmış stimülüsü uygulayın ve ardından ızgara taban aracılığıyla koşulsuz ayak şokunu verin; uygulanan şokun şiddetinin itici olduğundan ancak ağrılı olmadığından emin olun.

Burada görüldüğü gibi. Hafif davranışsal düzeltmeler yapmak amacıyla, denemeler arasına koşulsuz uyaran ve koşullu uyaran içermeyen boş denemeler yerleştirin. Koşullu uyaranın başlangıcından sonra, dört saniyelik kritik bir zaman penceresi içinde gerçekleşen bölme değişimini "hit" yanıtı olarak sınıflandırın.

Koşullandırılmış uyarana yanıt olarak kritik zaman penceresi içinde koşullandırılmış bir tepki oluşmazsa, derhal altı ila 10 saniye boyunca hafif bir ayak şoku uygulayın. Koşullandırmasız uyaran olarak, bunu koşullandırılmış uyaran negatif denemeleri için bir "kaçırma" (miss) olarak sınıflandırın; kritik zaman penceresi içindeki bir bölme değişimi ise "yanlış alarm" yanıtı olarak sınıflandırılır. Bu uygunsuz koşullandırılmış yanıtın hemen ardından koşullandırmasız uyaranı 10 saniyeye kadar uygulayın.

Hayvanın kritik zaman penceresi boyunca bölmede kaldığı koşullu uyaran negatif denemelerinden sonra ayak şoku koşulsuz uyaranını uygulamayın. Tüm deney tamamlandıktan sonra bunu doğru red olarak sınıflandırın; stimülasyon elektrot dizisinin stabil pozisyonunu kontrol etmek için cerrahi anestezi sağlayın ve ardından implantasyon pozisyonundaki dokuda demir birikimleri elde etmek amacıyla tüm stimülasyon kanalları üzerinden tek kutuplu katartik akım uygulayın. Kaçış latanslarını çevrimiçi olarak dikkatle belirleyin; eğer kaçış latansları iki saniyeden uzunsa ayak şoku şiddetini kademeli olarak artırın.

Eğitim verilerini analiz etmek için yapılan ilk 20 denemeden sonra, ekranda gösterildiği gibi koşullu uyaran pozitif ve koşullu uyaran negatif denemeleri için koşullu reaksiyon hızlarını hesaplayın; eğitim ilerlemesini ve öğrenme dinamiklerini değerlendirmek için koşullu reaksiyon hızlarını seansın veya deneme bloğunun bir fonksiyonu olarak grafiğe dökün. Son olarak, protokolün yazılı bölümündeki talimatlara göre derin prim analizi gerçekleştirin. Birden fazla olan derin prim değerine sahip bir duyarlılık indeksi, başarılı ayırt etme için eşik kriteri olarak kullanılabilir. Koşullu uyaran pozitif denemeleri sırasındaki yanıt gecikmeleri, burada bireysel denemeler için grafiğe dökülmüştür. Tüm eğitim seansları boyunca, saniyenin altındaki gecikmelere sahip tüm yanıtlar başarılı vuruş yanıtlarına karşılık gelir.

Yanıt gecikmelerinin histogramları, altı saniyeden kısa HIIT yanıtlarına ve altı ila sekiz saniye arasındaki kaçış yanıtlarına karşılık gelen bimodal bir yapıdadır. Bu, tek bir eğitim seansındaki koşullu uyaran pozitif denemeleri üzerinden ortalaması alınmış, tek bir hayvandan elde edilen elektriksel olarak uyarılmış bir potansiyelin veya EEP'nin tipik bir örneğidir; EEP, tek darbeli uyaran artefaktlarının kaldırılmasından önce siyahla, artefaktların kaldırılmasından sonra ise kırmızıyla gösterilmiştir. N iki sıfır olarak bilinen erken ve belirgin negatif pik, 20 milisaniye gecikmede görülebilir.

Bu şekil, üst panelde rostral stimülasyon elektrodundaki pozitif durum uyaranına ve alt panelde koddle stimülasyon elektrodundaki negatif durum uyaranına yanıt olarak N 20 amplitüdünün uzamsal dağılımlarının daha ayrıntılı analizini göstermektedir. Alt panel, işitsel korteks boyunca uyandırılmış durumların uzamsal çözünürlüğünü ortaya koymaktadır. Bu prosedürü uygularken, yüksek kaliteli elektrofizyolojik kayıtlar elde etmek ve prosedür sonrası elektriksel stimülasyonun uygun şekilde iletilmesini sağlamak için ızgara tabanının topraklamasının kritik olduğunu unutmamak önemlidir.

Algı ve öğrenme sırasında kortikal devrelerdeki spesifik hücre tiplerini ve transmitter sistemlerini incelemek amacıyla, protokole optogenetik ve farmakolojik manipülasyonlar gibi diğer yöntemler dahil edilebilir. Bu teknik, alanındaki araştırmacıların, nöronal dinamiklerin öğrenme ve bellek fonksiyonlarındaki rolüne dair salt korelatif bir yaklaşımdan daha nedensel bir tanımlamaya geçmelerinin önünü açmaktadır.