Combiné navette-Box formation avec électrophysiologique Cortex enregistrement et la stimulation comme un outil pour étudier perception et l'apprentissage
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
Representative Results
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 |
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. 神经科学. 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).
