Shuttle-box undvikande lärande är väl etablerat i Behavioral Neuroscience. Detta protokoll beskriver hur shuttle-box lärande hos gnagare kan kombineras med platsspecifika elektriska intrakortikal microstimulation (ICMS) och samtidig kronisk in vivo-inspelningar som ett verktyg för att studera flera aspekter av lärande och perception.
Shuttle-box undvikande lärande är en väletablerad metod Behavioral Neuroscience och experimentella inställningar var traditionellt skräddarsydda; nödvändig utrustning finns nu flera kommersiella företag. Detta protokoll ger en detaljerad beskrivning av en tvåvägs shuttle-box undvikande lärande paradigm hos gnagare (här mongoliska ökenråttor, Meriones unguiculatus) i kombination med platsspecifika elektriska intrakortikal microstimulation (ICMS) och samtidiga kroniska elektrofysiologiska in vivo inspelningar. Den detaljerade protokollet är tillämplig att studera flera aspekter av lärande beteende och uppfattning i olika arter av gnagare.
Platsspecifika ICMS av hörsel kortikala kretsar som rade stimuli här används som ett verktyg för att testa perceptuella relevansen av specifika afferenta, efferent och intrakortikal anslutningar. Distinkta aktiveringsmönster kan framkallas genom att använda olika stimuleringselektrod arrays för lokala, skiktberoende ICMS eller avlägsna ICMS webbplatser. Med hjälp av beteendesignaldetektering analys kan fastställas vilken stimulering strategi är mest effektiva för att framkalla en beteende detekterbar och framträdande signal. Vidare, parallella flerkanals-inspelningar med olika elektrod mönster (ytelektroder, djupelektroder, etc.) medger att undersöka neuronala observables under tidsförloppet av sådana inlärningsprocesser. Det kommer att diskuteras hur förändringar av beteende design kan öka den kognitiva komplexitet (t.ex. upptäckt, diskriminering, återföring lärande).
En grundläggande syftet med beteende neurovetenskap är att fastställa särskilda förbindelser mellan neuronala strukturella och funktionella egenskaper, lärande och perception. Neural aktivitet i samband med perception och lärande kan studeras genom elektrofysiologiska inspelning av aktionspotentialer och lokala fältet potential i olika hjärnstrukturer på flera webbplatser. Medan elektrofysiologiska inspelningar ger korrelativa samband mellan neural aktivitet och beteende, har direkt elektrisk intrakortikal microstimulation (ICMS) i över ett sekel varit den mest direkta metoden för att testa orsakssamband av glada populationer av nervceller och deras beteendemässiga och perceptuella effekter 1 – 3. Många studier har visat att djur kan utnyttja olika rumsliga och tidsmässiga egenskaper av elektriska stimuli i perceptuella uppgifter beroende på stimulans plats inom exempelvis retinotopic 4, tonotopic 5 eller somatotopic 6 regioner i hjärnbarken. Förökning av elektriskt framkallad aktivitet i cortex bestäms huvudsakligen av utformningen av axonal fibrer och deras distribuerade synaptiska anslutningsmöjligheter 2 som i cortex är klart skikt beroende 7. Den resulterande polysynaptisk aktivering framkallad av ICMS är hädanefter mycket mer utbredd än direkta effekter av det elektriska fältet 2,8,9. Detta förklarar varför trösklar för perceptuella effekter som framkallas av intrakortikal microstimulation kan vara starkt skikt beroende 8,10,11 och platsberoende 9. En nyligen genomförd studie visade i detalj att stimulering av övre skikten gav mer utbredda aktivering av corticocortical kretsar i huvudsak supragranular skikt, medan stimulering av djupare skikt av cortex resulterar i en central, återkommande corticoefferent intracolumnar aktivering. Parallella beteende experiment visade att den senare har mycket lägre perceptuell upptäckt thresholds 8. Därför var fördelen med platsspecifika ICMS som konditionerat stimuli utnyttjas i kombination med elektrofysiologiska inspelningar kausalt relatera specifika kortikala kretsaktive 8 till beteende åtgärder för inlärning och uppfattning i skytteln-box.
De två transfer-box paradigm är en väletablerad laboratorieutrustning för att studera undvikande lärande 12. En shuttle-box består av 2 fack åtskilda av ett hinder eller en port. En betingad stimulus (CS) som representeras av en lämplig signal som en ljus eller ljud, är contingently följt av en aversiv obetingat stimulus (US), exempelvis en fotchock över ett metallgallergolv. Ämnen kan lära sig att undvika USA genom shuttling från en buss till-box avdelningen till den andra såsom gensvar på CS. Shuttle-box lärande innebär en sekvens av urskiljbara inlärningsfaser 13,14: För det första,ämnen lära sig att förutsäga USA från CS genom klassisk betingning och att fly från USA av instrumentbräda, som USA avslutas på skytteltrafik. I nästa fas, ämnen lära sig att undvika USA helt och hållet genom shuttling som svar på CS innan amerikanska debut (undvikande reaktion). Generellt innebär shuttle-box lärande klassisk betingning, instrumental conditioning, samt målinriktat beteende beroende på inlärningsfas 14.
Buss-box förfarande kan sättas upp enkelt och generellt ger robust beteende efter några dagliga träningspass 15 – 17. Förutom enkel undvikande konditione (detektion), kan skytteln-box användas vidare för att studera stimulans diskriminering genom att använda go / Nogo paradigm. Här djuren utbildas för att undvika USA med en betingad respons (CR) (gå beteende, shuttle till motsatt fack) som svar på en <strong> go-stimulus (CS +) och Nogo beteende (stanna i nuvarande facket, ingen CR) som svar på en Nogo-stimulus (CS) Parallell microstimulation och registrering av nervcellsaktivitet med hög densitet multielektrodtyp arrayer möjligt att studera. de fysiologiska mekanismer som ligger bakom framgångsrik inlärning. Flera tekniska detaljer som är grundläggande för lyckade kombinationer av shuttle-box utbildning, ICMS och parallellt elektrofysiologi, kommer att diskuteras.
Detta protokoll beskriver en metod samtidiga platsspecifika ICMS och flerkanaliga elektrofysiologiska inspelningar i en lärande djur med hjälp av en tvåvägs aversive fot-chock kontrollerad shuttle-box-systemet. Protokollet betonar tekniska nyckelbegrepp för en sådan kombination och påpekar vikten av att jorda djuret endast via sin gemensamma jordelektrod, lämnar gridfloor på en flytande spänning. Här var hörsel shuttle-box lärande tillämpas på mongoliska gerbiler som inlärningsrelaterade plast omorganisa…
The authors have nothing to disclose.
Arbetet har finansierats med bidrag från Deustche Forschungsgemeinschaft DFG och Leibniz-Institut för neurobiologi. Vi tackar Maria-Marina Zempeltzi och Kathrin Ohl för tekniskt stöd.
Teflon-insulated stainless steel wire | California Fine Wire | diam. 50µm w/ isolation | |
Pin connector system | Molex Holding GmbH | 510470200 | 1.25 mm pitch PicoBlade |
TEM grid Quantifoil | Science Services | EQ225-N27 | |
Dental acrylic Paladur | Heraeus Kulzer | 64707938 | |
Hand-held drill OmniDrill35 | WPI | 503599 | |
Ketamine 500mg/10ml | Ratiopharm GmbH | 7538837 | |
Rompun 2%, 25ml | Bayer Vital GmbH | 5066.0 | |
Sodium-Chloride 0.9%, 10ml | B.Braun AG | PRID00000772 | |
Lubricant KY-Jelly | Johnson & Johnson | ||
Shuttle-box E10-E15 | Coulbourn Instruments | H10-11M-SC | |
Stimulus generator MCS STG 2000 | Multichannel Systems | ||
Plexon Headstage cable 32V-G20 | Plexon Inc. | HSC/32v-G20 | |
Plexon Headstage 32V-G20 | Plexon Inc. | HST/32v-G20 | |
PBX preamplifier 32 channels | Plexon Inc. | 32PBX box | |
Multichannel Acquisition System | Plexon Inc. | MAP 32/HLK2 | |
Cryostate CM3050 S | Leica Microsystems GmbH | ||
Signal processing Card Ni-Daq | National Instruments | ||
Lab StandardTM Stereotaxic Instruments | Stoelting Co. | ||
Audio attenator g.pah | g.pah Guger technologies | ||
Cresyl violet acetate | Roth GmbH | 7651.2 | |
Roticlear | Roth GmbH | A538.1 | |
Sodium acetate trihydrate | Roth GmbH | 6779.1 | |
Potassium hexacyanoferrat(II) trihydrate | Roth GmbH | 7974.2 | |
Di-sodium hydrogen phospahte dihydrate | Merck | 1,065,801,000 | |
ICM Impedance Conditioning Module | FHC | 55-70-0 | |
Animal Temperarture Controler | World Precision Instruments | ATC2000 |