جنبا إلى جنب المكوك بوكس التدريب مع الكهربية اللحاء تسجيل وتحفيز كأداة لدراسة الإدراك والتعلم
Summary
وراسخة مكوك مربع التعلم في علم الأعصاب السلوكي تجنب. يصف هذا البروتوكول كيف مكوك مربع التعلم في القوارض يمكن الجمع بين مواقع محددة microstimulation الكهربائية intracortical (ICMS) والمزمنة في وقت واحد في تسجيلات فيفو كأداة لدراسة جوانب متعددة من التعلم والإدراك.
Abstract
التعلم مكوك مربع تجنب هو وسيلة كانت راسخة في علم الأعصاب والتجريبية الاجهزة السلوكية عادة حسب الطلب؛ المعدات اللازمة متوفرة الآن من قبل العديد من الشركات التجارية. يوفر هذا البروتوكول وصفا مفصلا لاتجاهين مكوك مربع تجنب نموذج التعلم في القوارض (الجربوع هنا المنغولية، Meriones unguiculatus) بالاشتراك مع موقع معين microstimulation الكهربائية intracortical (ICMS) ومتزامنة مزمنة الكهربية في الجسم الحي التسجيلات. بروتوكول مفصل ينطبق على دراسة جوانب متعددة من السلوك التعلم والإدراك في أنواع القوارض المختلفة.
يستخدم ICMS موقع معين من الدوائر القشرية السمعية كما المحفزات مكيفة هنا كأداة لاختبار مدى ملاءمة الحسية من وارد معين، صادر والاتصالات intracortical. أنماط التنشيط متميزة يمكن أثار باستخدام مختلف آر التحفيز الكهربائيآيس ل، ICMS التي تعتمد على طبقة المحلية أو المواقع ICMS بعيدة. استخدام التحليل السلوكي الكشف عن إشارة يمكن تحديد أي استراتيجية التحفيز هو الأكثر فعالة للحصول على إشارة للكشف سلوكيا والبارزة. وعلاوة على ذلك، وبالتوازي مع الأقنية تسجيلات باستخدام تصاميم مختلفة القطب (أقطاب السطح، أقطاب العمق، الخ) تسمح للتحقيق المتغيرات الظاهرة العصبية على مدار الساعة من مثل هذه العمليات التعلم. سيتم مناقشته كيف يمكن للتغييرات في التصميم السلوكي يمكن أن تزيد من تعقيد المعرفية (مثل الكشف والتمييز، والتعلم انعكاس).
Introduction
والهدف الأساسي من علم الأعصاب السلوكي هو إقامة روابط معينة بين خصائص الخلايا العصبية الهيكلية والوظيفية، والتعلم، والإدراك. النشاط العصبي يرتبط الإدراك والتعلم يمكن دراستها عن طريق تسجيل الكهربية من إمكانات العمل والإمكانات الميدانية المحلية في هياكل الدماغ المختلفة في مواقع متعددة. في حين توفر التسجيلات الكهربية الجمعيات المترابطة بين النشاط العصبي والسلوك، وكان microstimulation المباشر الكهربائية intracortical (ICMS) لأكثر من قرن الأسلوب الأكثر مباشرة لعلاقات اختبار السببية السكان متحمس من الخلايا العصبية والآثار السلوكية والإدراكية التي 1-3. وقد أثبتت العديد من الدراسات أن الحيوانات قادرة على الاستفادة من مختلف الخصائص المكانية والزمانية من المحفزات الكهربائية في المهام الإدراكية اعتمادا على موقع التحفيز داخل على سبيل المثال شبكي التوضع 4، رonotopic 5 أو 6 مناطق جسدي التوضع في القشرة. يتم تحديد انتشار النشاط منبهات المسموعة كهربائيا في القشرة أساسا من تخطيط الألياف محور عصبي وزعت التواصل فيما بينها متشابك 2 أنه في القشرة، ومن الواضح 7 التي تعتمد على طبقة. تفعيل متعدد المشابك الناتجة التي حركها ICMS هو أكثر من ذلك بكثير من الآن فصاعدا انتشار واسع من الآثار المباشرة لل2،8،9 مجال كهربائي. وهذا ما يفسر لماذا عتبات الآثار الحسية التي تسببها microstimulation intracortical يمكن أن يكون بقوة 8،10،11 التي تعتمد على طبقة و9 تعتمد على الموقع. أظهرت دراسة أجريت مؤخرا في التفاصيل التي تحفيز الطبقات العليا أسفرت عن أكثر تفعيل واسعة الانتشار من الدوائر corticocortical في طبقات supragranular أساسا، في حين تحفيز الطبقات العميقة من القشرة نتيجة في التنسيق، قشري صادر المتكررة intracolumnar التنشيط. وكشفت التجارب السلوكية موازية أن الأخير لديه أقل بكثير الكشف عبتي الإدراك الحسيesholds 8. لذلك، تم استغلال ميزة خاصة بالموقع ICMS محفزات مشروطة كما هو الحال في تركيبة مع التسجيلات الكهربية لربط سببيا التنشيط الدوائر القشرية محددة 8 إلى التدابير السلوكية في التعلم والإدراك في مربع المكوك.
اتجاهين مكوك مربع النموذج هو جهاز مختبر راسخة لدراسة تجنب التعلم 12. يتكون A-مربع المكوك من 2 المقصورات مفصولة عقبة أو المدخل. A التحفيز (CS) مكيفة الذي يمثله إشارة مناسبة مثل ضوء أو الصوت، ويتبع محتملة من قبل المثير غير الشرطي مكره (US)، كما على سبيل المثال صدمة القدم على أرضية شبكة معدنية. يمكن تعلم المواد الدراسية لتجنب الولايات المتحدة من قبل في رحلات مكوكية من واحد مكوك مربع حجرة إلى أخرى ردا على CS. ينطوي التعلم مكوك مربع سلسلة من مراحل التعلم مميزة 13،14: أولا،موضوعات تعلم للتنبؤ الولايات المتحدة من CS من قبل الإشراط الكلاسيكي وللهروب من الولايات المتحدة عن طريق تكييف فعال، كما يتم إنهاء الولايات المتحدة على مكوكية. في المرحلة المقبلة، والموضوعات تعلم لتجنب الولايات المتحدة تماما من قبل في رحلات مكوكية ردا على CS قبل ظهور الولايات المتحدة (تجنب رد فعل). عموما، التعلم مكوك مربع ويشمل الإشراط الكلاسيكي، تكييف فعال، فضلا عن السلوك الذي توجهه الهدف اعتمادا على المرحلة 14 التعلم.
يمكن تعيين الإجراء مكوك مربع تصل بسهولة وعموما ينتج السلوك قوي بعد بضع جلسات تدريبية يوميا 15-17. بالإضافة إلى تكييف بسيط تجنب (الكشف)، وصندوق المكوك يمكن أن تستخدم أيضا لدراسة التمييز التحفيز عن طريق استخدام نماذج العودة / nogo. هنا، يتم تدريب الحيوانات لتجنب الولايات المتحدة من خلال استجابة مكيفة (CR) (الذهاب السلوك؛ المكوكية إلى حجرة المقابلة) ردا على <قوي> الذهاب التحفيز (CS +) والسلوك nogo (البقاء في مقصورة الحالية، ولا CR) ردا على nogo التحفيز (CS-) microstimulation الموازي وتسجيل النشاط العصبي مع المصفوفات multielectrode ذات الكثافة السكانية العالية تسمح للدراسة. الآليات الفسيولوجية الكامنة وراء تعلم الناجح. العديد من التفاصيل التقنية التي تعتبر أساسية لتركيبات الناجحة للتدريب مكوك مربع، ICMS والكهربية بالتوازي مع ذلك، سيتم مناقشتها.
Protocol
Representative Results
Discussion
يصف هذا البروتوكول وسيلة لICMS في مواقع محددة في وقت واحد والتسجيلات الكهربية متعددة القنوات في حيوان التعلم باستخدام مكره القدم صدمة نظام التحكم مكوك مربع في اتجاهين. ويؤكد البروتوكول المفاهيم الأساسية التقنية لمثل هذا الجمع ويشير إلى أهمية التأريض الحيوان فقط عبر ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد العمل من المنح المقدمة من دوتش للبحوث DFG وللمعهد ليبنيز لعلم الأعصاب. نشكر ماريا مارينا Zempeltzi وكاترين OHL للحصول على المساعدة الفنية.
Materials
| 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 |
References
- Cohen, M. R., Newsome, W. T. What electrical microstimulation has revealed about the neural basis of cognition. Current Opinion in Neurobiology. 14 (2), 169-177 (2004).
- Histed, M. H., Bonin, V., Reid, R. C. Direct activation of sparse, distributed populations of cortical neurons by electrical microstimulation. Neuron. 63 (4), 508-522 (2009).
- Histed, M. H., Ni, A. M., Maunsell, J. H. R. Insights into cortical mechanisms of behavior from microstimulation experiments. Progress in Neurobiology. 103, 115-130 (2013).
- Bradley, D. C., et al. Visuotopic mapping through a multichannel stimulating implant in primate V1. Journal of Neurophysiology. 93, 1659-1670 (2005).
- Scheich, H., Breindl, A. An Animal Model of Auditory Cortex Prostheses. Audiology and Neurootology. 7 (3), 191-194 (2002).
- Romo, R., Hernández, A., Zainos, A., Salinas, E. Somatosensory discrimination based on cortical microstimulation. Nature. 392, 387-390 (1998).
- Douglas, R. J., Martin, K. A. C. Recurrent neuronal circuits in the neocortex. Current Biology. 17 (13), 496-500 (2004).
- Happel, M. F. K., Deliano, M., Handschuh, J., Ohl, F. W. Dopamine-modulated recurrent corticoefferent feedback in primary sensory cortex promotes detection of behaviorally relevant stimuli. The Journal of Neuroscience. 34 (4), 1234-1247 (2014).
- Deliano, M., Scheich, H., Ohl, F. W. Auditory cortical activity after intracortical microstimulation and its role for sensory processing and learning. The Journal of Neuroscience. 29 (50), 15898-15909 (2009).
- DeYoe, E. A., Lewine, J. D., Doty, R. W. Laminar variation in threshold for detection of electrical excitation of striate cortex by macaques. Journal of Neurophysiology. 94 (5), 3443-3450 (2005).
- Tehovnik, E. J., Slocum, W. M., Schiller, P. H. Delaying visually guided saccades by microstimulation of macaque V1: spatial properties of delay fields. The European Journal of Neuroscience. 22 (10), 2635-2643 (2005).
- Wetzel, W., Wagner, T., Ohl, F. W., Scheich, H. Categorical discrimination of direction in frequency-modulated tones by Mongolian gerbils. Behavioural Brain Research. 91, 29-39 (1998).
- Cain, C. K., LeDoux, J. E. Escape from fear: a detailed behavioral analysis of two atypical responses reinforced by CS termination. Journal of Experimental Psychology. Animal behavior processes. 33, 451-463 (2007).
- Stark, H., Rothe, T., Deliano, M., Scheich, H. Dynamics of cortical theta activity correlates with stages of auditory avoidance strategy formation in a shuttle-box. Neuroscience. 151, 467-475 (2008).
- Ohl, F. W., Wetzel, W., Wagner, T., Rech, A., Scheich, H. Bilateral ablation of auditory cortex in Mongolian gerbil affects discrimination of frequency modulated tones but not of pure tones. Learning & Memory. 6 (4), 347-362 (1999).
- Kurt, S., Ehret, G. Auditory discrimination learning and knowledge transfer in mice depends on task difficulty. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (18), 8481-8485 (2010).
- Happel, M. F. K., et al. Enhanced cognitive flexibility in reversal learning induced by removal of the extracellular matrix in auditory cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (7), 2800-2805 (2014).
- Thomas, H., Tillein, J., Heil, P., Scheich, H. Functional organization of auditory cortex in the mongolian gerbil (Meriones unguiculatus). I. Electrophysiological mapping of frequency representation and distinction of fields. The European journal of neuroscience. 5, 882-897 (1993).
- Budinger, E., Heil, P., Scheich, H. Functional organization of auditory cortex in the Mongolian gerbil (Meriones unguiculatus). III. Anatomical subdivisions and corticocortical connections. European Journal of Neuroscience. 12, 2425-2451 (2000).
- Langford, D. J., et al. Coding of facial expressions of pain in the laboratory mouse. Nature Methods. 7 (6), 447-449 (2010).
- Ohl, F. W., Scheich, H., Freeman, W. J. Change in pattern of ongoing cortical activity with auditory category learning. Nature. 412 (6848), 733-736 (2001).
- Scheich, H., et al. Behavioral semantics of learning and crossmodal processing in auditory cortex: the semantic processor concept. Hearing Research. 271 (1-2), 3-15 (2011).
- Happel, M. F. K., Jeschke, M., Ohl, F. W. Spectral integration in primary auditory cortex attributable to temporally precise convergence of thalamocortical and intracortical input. The Journal of Neuroscience. 30 (33), 11114-11127 (2010).
- Ranck, J. B. Which elements are excited in electrical stimulation of mammalian central nervous system: a review. Brain Research. 98, 417-440 (1975).
- Clark, K. L., Armstrong, K. M., Moore, T. Probing neural circuitry and function with electrical microstimulation. Proceedings. Biological sciences / The Royal Society. 278 (1709), 1121-1130 (2011).
- Ilango, A., Shumake, J., Wetzel, W., Scheich, H., Ohl, F. W. Electrical stimulation of lateral habenula during learning: frequency-dependent effects on acquisition but not retrieval of a two-way active avoidance response. PloS one. 8 (6), e65684 (2013).
- Weible, A. P., McEchron, M. D., Disterhoft, J. F. Cortical involvement in acquisition and extinction of trace eyeblink conditioning. Behavioral Neuroscience. 114, 1058-1067 (2000).
- Rothe, T., Deliano, M., Scheich, H., Stark, H. Segregation of task-relevant conditioned stimuli from background stimuli by associative learning. Brain Research. 1297, 143-159 (2009).
