שילוב הסעות-Box הדרכה עם אלקטרו Cortex הקלטה וגירוי ככלי לחקר תפיסה ולמידה
Summary
למידת הימנעות הסעות-תיבה-מבוססת היטב במדעי המוח התנהגותיים. פרוטוקול זה מתאר כיצד ניתן לשלב הסעות תיבה לומדת במכרסמים עם microstimulation אתר ספציפי החשמלי intracortical (ICMS) ובו זמנית בchronical הקלטות vivo ככלי ללמוד היבטים רבים של למידה ותפיסה.
Abstract
למידת הימנעות הסעות תיבה היא שיטה מבוססת היטב בהגדרות מדעי מוח והתנהגות ניסיוניות היתה באופן מסורתי מותאמת אישית; הציוד הדרוש זמין כעת על ידי כמה חברות מסחריות. פרוטוקול זה מספק תיאור מפורט של הפרדיגמה למידת הימנעות תיבת הסעות דו-כיוונית במכרסמים (גרבילים כאן מונגולי; מריון unguiculatus) בשילוב עם microstimulation אתר ספציפי החשמלי intracortical (ICMS) ואלקטרו בvivo הקלטות chronical בו זמנית. הפרוטוקול מפורט ישים ללמוד היבטים רבים של למידת התנהגות ותפיסה במינים שונים של מכרסמים.
ICMS אתר ספציפי של מעגלים בקליפת המוח שמיעתיים כגירויים מותנים כאן משמש ככלי כדי לבדוק את הרלוונטיות של תפיסתי מביא ספציפי, efferent וקשרי intracortical. ניתן עוררו דפוסי הפעלה נפרדים על ידי שימוש באלקטרודה לגירוי עיבוד שונהays לICMS המקומי, שכבה תלויה או אתרי ICMS רחוקים. ניצול ניתוח זיהוי אותות התנהגותיים ניתן לקבוע אותו שאסטרטגית גירוי היא יעילה ביותר לגילוי אות התנהגותית לזיהוי ובולט. יתר על כן, רבות ערוצים-הקלטות מקבילות באמצעות עיצובים שונים אלקטרודה (אלקטרודות משטח, אלקטרודות עומק, וכו ') לאפשר לחקירת observables העצבי במהלך תהליכי למידה כגון הזמן. זה יידון כיצד שינויים של עיצוב ההתנהגות יכולים להגדיל את המורכבות קוגניטיבית (למשל זיהוי, אפליה, למידת היפוך).
Introduction
מטרה בסיסית של מדעי מוח התנהגות היא להקים קישורים ספציפיים בין מאפיינים עצביים מבניים ותפקודיים, למידה, ותפיסה. פעילות עצבית הקשורים בתפיסה ולמידה ניתן ללמוד על ידי הקלטת אלקטרו של פוטנציאל פעולה ופוטנציאלים שדה מקומיים במבני מוח שונים באתרים מרובים. בעוד קלטות אלקטרו לספק עמותות מתאם בין פעילות והתנהגות עצביות, microstimulation הישיר החשמלי intracortical (ICMS) במשך יותר ממאה הייתה השיטה הישירה ביותר לקשרים סיבתיים בדיקה של אוכלוסיות נרגשות של נוירונים והשפעות ההתנהגות והתפיסה שלהם 1 – 3. מחקרים רבים הראו כי בעלי החיים יכולים לעשות שימוש במאפייני מרחב ובזמן שונים של גירויים חשמליים במשימות תפיסתיות תלוי באתר הגירוי בתוך לretinotopic למשל 4, Tonotopic 5, או 6 somatotopic אזורים בקליפת המוח. התפשטות של פעילות חשמלית עוררה בקליפת המוח נקבעה בעיקר על ידי הפריסה של סיבי axonal והקישוריות שלהם מופצת הסינפטי 2 ש, בקליפת המוח, היא באופן ברור שכבה תלויה 7. הפעלת polysynaptic התוצאה שעוררה ICMS היא מעתה הרבה יותר נרחבת מאשר השפעות ישירות של 2,8,9 שדה החשמלי. זה מסביר מדוע ספים של השפעות תפיסתי שהושרו על ידי microstimulation intracortical יכולים להיות מאוד שכבה תלויה 8,10,11 ואתר-תלוי 9. מחקר שנערך לאחרונה הראה בפירוט שהגירוי של שכבות העליונות הניב יותר הפעלה נרחבת של מעגלי corticocortical בשכבות בעיקר supragranular, תוך גירוי של שכבות עמוקות יותר של קליפת המוח בתוצאת corticoefferent מוקדי, חוזר ונשנה intracolumnar הפעלה. ניסויים התנהגותיים מקבילים גילו כי יש לו את זה האחרון thr זיהוי תפיסתי הרבה יותר נמוךesholds 8. לכן, היתרון של גירויים מותנים כICMS אתר ספציפי נוצל בשילוב עם קלטות אלקטרו להתייחס סיבתי הפעלות מעגל קליפת המוח ספציפיות 8 למדדי התנהגותיים של למידה ותפיסה בתיבת ההסעות.
הפרדיגמה-תיבת הסעות דו-כיוונית היא מנגנון מעבדה מבוסס היטב ללמוד למידת הימנעות 12. תיבת הסעות מורכבת של 2 תאים מופרדים במשוכה או פתח. גירוי מותנה (CS) שמיוצג על ידי אות מתאימה כמו אור או צליל, ואחריו מותנה בגירוי מרתיע הבלתי מותנה (ארה"ב), כמו למשל הלם רגל על רצפת רשת מתכת. נושאים יכולים ללמוד להימנע ארה"ב על ידי הלוך מתא-תיבת הסעות אחת לשנייה בתגובה למדעי המחשב. למידת הסעות תיבה כרוכה רצף של שלבי למידה להבחין 13,14: ראשית,נושאים ללמוד לחזות את ארה"ב מCS על ידי התניה קלסית ולברוח מארה"ב על ידי אוויר אינסטרומנטלי, כמו ארה"ב נפסקת הלוך. בשלב הבא, נושאים ללמוד להימנע ארה"ב לגמרי על ידי הלוך בתגובה לCS לפני תחילת אמריקנית (תגובת הימנעות). בדרך כלל, למידת תיבת הסעות כרוכה התניה קלסית, אוויר אינסטרומנטלי, כמו גם מכוונת למטרת התנהגות בהתאם למידה שלב 14.
הליך תיבת הסעות ניתן להגדיר בקלות ובאופן כללי מייצר התנהגות חזקה אחרי כמה אימונים יומיים 15-17. בנוסף לאוויר פשוט הימנעות (זיהוי), תיבת ההסעות יכולה לשמש עוד ללמוד אפליית גירוי על ידי העסקת פרדיגמות ללכת / nogo. כאן, חיות מאומנות כדי למנוע את ארה"ב על ידי תגובה מותנית (CR) (ללכת התנהגות; הסעות לתא הפוך) בתגובה ל<ללכת גירוי חזק> (CS +) ועל ידי התנהגות nogo (להישאר בתא הנוכחי; אין CR) בתגובה לnogo-גירוי (CS-) microstimulation מקביל והקלטה של פעילות עצבית עם מערכי multielectrode צפיפות גבוהה מאפשר ללמוד. המנגנונים הפיסיולוגיים הבסיסיים למידה מוצלחת. פרטים טכניים כמה שהם יסוד לשילובים המוצלחים של הכשרה-תיבת הסעות, ICMS ואלקטרופיזיולוגיה המקבילה, יידונו.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מתאר שיטה של ICMS בו זמנית באתר ספציפי וקלטות אלקטרו רב-ערוצית בבעלי חיים לומדים באמצעות מערכת תיבת הסעות מבוקרת רגל-הלם מרתיע דו-כיוונית. הפרוטוקול מדגיש מושגי מפתח טכניים לשילוב כזה ומציין את החשיבות של האימונים בעלי החיים רק באמצעות אלקטרודה הקרקע ה?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
העבודה נתמכה על ידי מענקים מDeustche Forschungsgemeinschaft DFG ולייבניץ-המכון לנוירוביולוגיה. אנו מודים מריה-המרינה Zempeltzi וקתרין או-ה-ל לקבלת סיוע טכני.
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).
