Algı ve Öğrenme Eğitim bir aracı olarak Elektrofizyolojik Cortex Kayıt ve Stimülasyon ile Servisi-Box Eğitim Kombine
Summary
Servis kutusu kaçınma öğrenme davranışsal nörobilim iyi bilinmektedir. Bu protokol kemirgenlerde öğrenme mekik kutusu siteye özgü elektrik intrakortikal mikrostimülasyonla (ICMS) ve öğrenme ve algılama çoklu yönlerini incelemek için bir araç olarak in vivo kayıtları eşzamanlı kronikleştiriyor ile kombine edilebilir açıklanır.
Abstract
Servis kutusu kaçınma öğrenme davranışsal nörobilim ve deneysel kurulumları köklü bir yöntem geleneksel ısmarlama edildi ise; gerekli ekipman çeşitli ticari şirketler tarafından kullanılabilir. Birlikte bölgeye özgü elektrik intrakortikal mikrostimülasyonla (ICMS) ve eşzamanlı kronik elektrofizyolojik in vivo kayıtları ile, bu protokol kemirgenlerde iki yönlü servis kutusu kaçınma öğrenme paradigmasının ayrıntılı bir açıklama (Meriones unguiculatus burada Moğol Gerbil) sağlar. Ayrıntılı protokol, farklı kemirgen türlerinde öğrenme davranış ve algı birden yönlerini incelemek için de geçerlidir.
Burada klimalı uyaranlara olarak işitsel kortikal devrelerin Siteye özgü ICMS belirli afferent, efferent ve intrakortikal bağlantıları algısal alaka test etmek için bir araç olarak kullanılır. Farklı aktivasyon desenleri farklı stimülasyon elektrot arr kullanılarak uyarılmış olabilirYerel, katman bağımlı ICMS veya uzak ICMS siteleri için ays. Stimülasyon strateji davranışsal saptanabilir ve belirgin bir sinyal ortaya çıkarmak için en etkili olduğu tespit edilebilir davranış sinyal algılama analizi kullanmak. Dahası, (vb yüzey elektrotları, derinlik elektrotları) farklı elektrot tasarımları kullanarak paralel çok kanallı-kayıtları gibi öğrenme süreçlerinin süresi boyunca nöronal gözlenebilirleri araştırmak için izin verir. Bu davranış tasarım değişiklikleri bilişsel karmaşıklığı artırabilir nasıl ele (örneğin algılama, ayrımcılık, ters öğrenme) yapılacaktır.
Introduction
Davranışsal nörobilim temel bir amacı nöronal yapısal ve fonksiyonel özellikleri, öğrenme ve algı arasındaki özel bağlantılar kurmaktır. Algı ve öğrenme ile ilişkili sinirsel aktivite birden fazla çeşitli beyin yapılarında aksiyon potansiyeli ve yerel alan potansiyelleri elektrofizyolojik kayıt ile ele alınabilir. 3 – elektrofizyolojik kayıtlar sinirsel aktivite ve davranış arasındaki karşılıklı dernekler sağlayan Oysa, bir yüzyıl boyunca doğrudan elektrik intrakortikal mikrostimülasyonla (ICMS) nöronların heyecanlı nüfus ve bunların davranışsal ve algısal etkileri 1 test nedensel ilişkileri için en doğrudan bir yöntem olmuştur. Birçok çalışma hayvanlar örnek retinotopic 4, t içinde stimülasyon sitesine bağlı algısal görevleri elektrik uyaranların çeşitli mekansal ve zamansal özelliklerinin faydalanmak mümkün olduğunu göstermiştirkortekste onotopic 5 ya da 6 somatotopik bölgeleri. Kortekste örneğin elektrik kuvvetiyle uyandırılan aktivitesi yayılması çoğunlukla aksonal lifler ve korteks, açık bir şekilde katmanın bağımlı 7, onların dağıtılmış sinaptik bağlantı 2 düzeni ile belirlenir. ICMS tarafından uyarılmış sonuçtaki polisinaptik aktivasyon daha bundan böyle elektrik alan 2,8,9 doğrudan etkilerinden daha yaygın olduğunu. Intrakortikal mikrostimülasyonla tarafından ortaya algısal etkileri eşikleri kuvvetle katman bağımlı 8,10,11 ve site bağımlı 9 olabilir açıklıyor. Yeni yapılan bir çalışmada korteks sonucu derin katmanlarının uyarılması aktivasyonu intracolumnar fokal, tekrarlayan corticoefferent ise üst katmanlar uyarılması, özellikle supragranular katmanlarda corticocortical devrelerin daha yaygın aktivasyonunu vermiştir detaylı olarak gösterdi. Paralel davranışsal deneyler ikincisi çok daha düşük algısal algılama thr sahip olduğunu ortaya çıkarmıştıresholds 8. Nedensel 8 mekik-box öğrenme ve algılama davranışsal tedbirler belirli kortikal devre aktivasyonları ilişkilendirmek nedenle, bölgeye özgü ICMS olarak koşullandırılmış uyaranlara avantajı elektrofizyolojik kayıtlar ile birlikte istismar edildi.
İki yönlü servis kutusu paradigma kaçınma öğrenme 12 incelemek için iyi kurulmuş bir laboratuvar cihazıdır. Bir mekik-box bir engel veya kapı ile ayrılmış 2 bölmeden oluşmaktadır. Bir ışık veya ses gibi uygun bir sinyal ile temsil edilen bir durumunu teşvik (CS), olumsal, caydırıcı bir şartsız uyarıcı (ABD) tarafından takip edilir, örneğin bir metal ızgara zemin üzerinde ayak şoku. Denekler CS karşılık diğer bir mekik kutusu bölümünden mekik ile ABD'yi önlemek için öğrenebilirsiniz. : Birincisi, mekik-box öğrenme 13,14 ayırt öğrenme evreleri bir dizi içerirkonular klasik koşullanma CS ABD tahmin etmek ve ABD mekik üzerine sonlandırıldı olarak, enstrümantal klima tarafından ABD'ye kaçmak için öğrenirler. Bir sonraki aşamada, deneklere ABD başlamasından önce CS (kaçınma reaksiyonu) cevaben mekik ile tamamen ABD'nin önlemek için öğrenirler. Genellikle, mekik kutusu öğrenme klasik klima, enstrümantal klima yanı sıra aşamasını 14 öğrenmeye bağlı olarak hedefe yönelik davranışı içerir.
Mekik kutusu prosedürü kolayca kurmak ve genellikle birkaç günlük eğitim oturumları 15 sonra sağlam bir davranış üretir olabilir – 17. Basit kaçınma klima (algılama) ek olarak, mekik kutusu ayrıca go / NOGO paradigmalar kullanılarak uyaran ayrımcılığı incelemek için kullanılabilir. Burada, hayvanlar klimalı tepki ile ABD (CR) (davranışı gidin; karşıt bölmeye shuttle) önlemek için eğitilmiş bir tepki olarak <eğitim için izin veren bir NOGO-uyarıcı (CS-) tepki olarak yüksek yoğunluklu multielectrode dizileri ile paralel mikrostimülasyonla ve nöral aktivitenin kayıt., strong> go-uyaran (CS +) ve NOGO davranış tarafından (hiçbir CR geçerli bölme içinde kalmak) Başarılı öğrenme altında yatan fizyolojik mekanizmalar. Mekik-box eğitimi, ICMS ve paralel elektrofizyoloji başarılı kombinasyonları için temel birkaç teknik detayları ele alınacaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol, iki yönlü bir caydırıcı ayak şoku kontrollü mekik kutusu sistemi kullanarak bir öğrenme hayvanda eş zamanlı site-spesifik ICMS ve çok kanallı elektrofizyolojik kayıtları için bir yöntem tarif eder. Protokol, kombinasyon için teknik anahtar kavramları vurgulamaktadır ve sadece ortak bir zemin elektrot aracılığıyla hayvan topraklama yüzer voltajda gridfloor bırakarak önemine işaret etmektedir. Bu hayvanların işitsel korteks öğrenme ile ilgili plastik yeniden yapılanma yoğun <…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Iş Deustche Forschungsgemeinschaft DFG ve Nörobiyoloji için Leibniz-Enstitüsü hibe tarafından desteklenmiştir. Biz teknik yardım için Maria-Marina Zempeltzi ve Kathrin OHL teşekkür ederiz.
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).
