Summary

Combiné navette-Box formation avec électrophysiologique Cortex enregistrement et la stimulation comme un outil pour étudier perception et l'apprentissage

Published: October 22, 2015
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Summary

Navette boîte éviter l'apprentissage est bien établi en neuroscience comportementale. Ce protocole décrit comment navette boîte apprentissage chez les rongeurs peut être combiné avec microstimulation site spécifique électrique intracorticale (ICMS) et chronique simultanée dans les enregistrements vivo comme un outil pour étudier plusieurs aspects de l'apprentissage et de la perception.

Abstract

L'apprentissage navette boîte évitement est une méthode bien établie en neurosciences comportementales et expérimentales configurations étaient traditionnellement faites sur mesure; l'équipement nécessaire est maintenant disponible par plusieurs sociétés commerciales. Ce protocole fournit une description détaillée d'une à deux voies navette boîte éviter paradigme d'apprentissage chez les rongeurs (gerbilles de Mongolie ici; Mérion unguiculatus) en combinaison avec microstimulation site spécifique électrique intracorticale (ICMS) et électrophysiologiques enregistrements chroniques simultanées in vivo. Le protocole détaillé est applicable pour étudier plusieurs aspects du comportement de l'apprentissage et de la perception de différentes espèces de rongeurs.

ICMS de circuits corticaux auditifs comme stimuli conditionnés spécifiques à un site est utilisé comme un outil pour tester la pertinence perceptive spécifique afférente, efférente et les connexions intracorticales. Modèles d'activation distinctes peuvent être évoqués en utilisant différents électrode de stimulation arrays pour ICMS locales, couche-dépendant ou des sites éloignés. SGCI En utilisant l'analyse de comportement de détection de signal, on peut déterminer quelle stratégie de stimulation est plus efficace pour induire un signal détectable et comportemental saillant. En outre, les enregistrements multicanaux parallèles utilisant différents modèles d'électrodes (électrodes de surface, des électrodes de profondeur, etc.) permettent d'enquêter observables neuronales au cours du temps de ces processus d'apprentissage. Il sera examiné comment les changements de la conception du comportement peuvent augmenter la complexité cognitive (par exemple, la détection, la discrimination, l'apprentissage d'inversion).

Introduction

Un objectif fondamental de neurosciences comportementales est d'établir des liens spécifiques entre les propriétés structurelles et fonctionnelles neuronales, l'apprentissage et la perception. L'activité neuronale associée à la perception et de l'apprentissage peut être étudiée par enregistrement électrophysiologique des potentiels d'action et les potentiels de champ locaux dans différentes structures cérébrales à plusieurs sites. Alors que les enregistrements électrophysiologiques fournissent associations corrélatifs entre l'activité neuronale et le comportement, microstimulation électrique direct intracorticale (ICMS) depuis plus d'un siècle a été la méthode la plus directe pour les relations tests de causalité de populations de neurones excités et leurs effets sur le comportement et la perception 1 – 3. De nombreuses études ont démontré que les animaux sont capables de faire usage de diverses propriétés spatiales et temporelles des stimuli électriques dans les tâches de perception selon le site de stimulation au sein par exemple rétinotopique 4, tonotopic 5, 6 ou somatotopique régions dans le cortex. La propagation de l'activité électrique évoquée dans le cortex est principalement déterminée par la disposition des fibres axonales et leur connectivité synaptique distribué 2 que, dans le cortex, est clairement dépendant couche 7. L'activation polysynaptique résultante évoquée par ICMS est désormais beaucoup plus répandue que les effets directs de la 2,8,9 de champ électrique. Cela explique pourquoi les seuils d'effets perceptifs suscités par microstimulation intracorticale peuvent être fortement couche dépendant 8,10,11 et dépend du site 9. Une étude récente a démontré en détail que la stimulation des couches supérieures a donné une activation plus large propagation de circuits en couches corticocorticales principalement supragranular, tandis que la stimulation des couches plus profondes de la suite du cortex dans un corticoefferent récurrente focale intracolumnar activation. Expériences comportementales parallèles révélé que ce dernier a beaucoup plus faible Thr de détection perceptiveesholds 8. Par conséquent, l'avantage de site spécifique ICMS stimuli conditionné a été exploité en combinaison avec des enregistrements électrophysiologiques de relier causalement activations de circuits corticaux spécifiques 8 à mesures comportementales de l'apprentissage et de la perception dans la boîte de navette.

Les deux voies navette boîte paradigme est un appareil de laboratoire bien établi pour étudier l'évitement apprentissage 12. Une boîte de navette se compose de 2 compartiments séparés par un obstacle ou une porte. Un stimulus conditionné (CS) qui est représenté par un signal approprié comme une lumière ou le son, est contingente suivie par un stimulus aversif inconditionnel (US), comme par exemple un choc de pied sur un plancher de grille métallique. Les sujets peuvent apprendre à éviter les Etats-Unis par la navette d'un compartiment navette case à l'autre en réponse à la CS. Navette case apprentissage implique une séquence de phases d'apprentissage distinctes 13,14: d'abord,les sujets apprennent à prédire les États-Unis à partir du CS par conditionnement classique et d'échapper à l'US par conditionnement instrumental, comme les États-Unis se termine sur la navette. Dans une prochaine phase, les sujets apprennent à éviter les Etats-Unis tout en faisant la navette en réponse à la CS devant nous apparition (réaction d'évitement). Généralement, navette boîte apprentissage implique le conditionnement classique, conditionnement instrumental, ainsi que le comportement orienté vers un but en fonction de la phase 14 d'apprentissage.

La procédure de navette-boîte peut être mis en place facilement et produit généralement un comportement robuste après quelques séances d'entraînement quotidiennes de 15 – 17. En plus d'un simple conditionnement d'évitement (de détection), la boîte de navette peut encore être utilisé pour étudier la discrimination de relance en employant paradigmes Go / NoGo. Ici, les animaux sont formés pour éviter aux États-Unis par une réponse conditionnée (CR) (aller comportement; navette dans compartiment opposé) en réponse à une <strong> go-stimulus (CS +) et par le comportement de Nogo (rester dans le compartiment de courant, pas de CR) en réponse à une Nogo-stimulus (CS) microstimulation parallèle et l'enregistrement de l'activité neuronale avec des tableaux de multiélectrodes haute densité permettra d'étudier. les mécanismes physiologiques sous-jacents apprentissage réussi. Plusieurs détails techniques qui sont fondamentales pour les combinaisons de formation réussie navette-box, ICMS et l'électrophysiologie parallèle, seront discutés.

Protocol

Toutes les expériences présentées dans cet ouvrage ont été réalisés en accord avec les normes éthiques définies par le droit allemand pour la protection des animaux de laboratoire. Des expériences ont été approuvés par le comité d'éthique de l'Etat de Saxe-Anhalt. 1. Sur mesure multicanaux électrodes tableaux pour microstimulation et enregistrement Réseau de microstimulation sur mesure Pour délivrer ICMS, préparer des électrodes de stimulation …

Representative Results

Cette section illustre un exemple représentatif de la navette boîte apprentissage dans une gerbille de Mongolie. Le sujet a été formé pour discriminer le site SIGI entre deux électrodes de stimulation implantée 700 pm les unes des autres dans le cortex auditif (figures 1 et 2). Tableaux de stimulation peuvent être personnalisés dans différentes conceptions spatiales (Figure 1). Ici, la discrimination des deux sites du SGCI a été appris dans les 3 sessions de…

Discussion

Ce protocole décrit une méthode de ICMS spécifiques au site simultanées et des enregistrements électrophysiologiques multi-canaux à un animal d'apprentissage en utilisant un système boîte de navette contrôlée pied-choc aversif deux sens. Le protocole met l'accent sur des concepts techniques clés pour une telle combinaison et souligne l'importance de la mise à la terre de l'animal uniquement via son électrode de masse commun, laissant le gridfloor à une tension flottante. Ici, auditif navett…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Le travail a été soutenu par des subventions de la Deustche Forschungsgemeinschaft DFG et de la Leibniz-Institut de neurobiologie. Nous remercions Maria-Marina Zempeltzi et Kathrin Ohl pour l'assistance technique.

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

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Cite This Article
Happel, M. F., Deliano, M., Ohl, F. W. Combined Shuttle-Box Training with Electrophysiological Cortex Recording and Stimulation as a Tool to Study Perception and Learning. J. Vis. Exp. (104), e53002, doi:10.3791/53002 (2015).

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