В сочетании Трансфер-Box Обучение с электрофизиологических Cortex записи и стимуляции как инструмент для изучения восприятия и обучения
Summary
Трансфер ящик избегание обучения хорошо разработана в поведенческой неврологии. Этот протокол описывает, как трансфер ящик обучения у грызунов может быть в сочетании с конкретным участкам электрической интракортикальных микростимуляции (ICMS) и одновременного хронического IN VIVO записей в качестве инструмента для изучения различных аспектов обучения и восприятия.
Abstract
Избегание Трансфер ящик обучение является хорошо признанным методом в поведенческих нейронауки и экспериментальных установок традиционно заказ; необходимое оборудование теперь доступно несколько коммерческих компаний. Этот протокол обеспечивает детальное описание двустороннего избегания трансфер ящик обучения парадигмы у грызунов (песчанки здесь; монгольские Мерион unguiculatus) в сочетании с конкретным участкам электрической интракортикальных микростимуляции (ICMS) и одновременно хронических электрофизиологических естественных условиях записей в. Детальный протокол применим для изучения различных аспектов поведения обучения и восприятия в различных видов грызунов.
Сайт конкретных ICMS слуховых корковых схем, как условные раздражители здесь используется в качестве инструмента для проверки восприятия актуальности конкретных афферентных, эфферентных и интракортикальных соединений. Различные модели активации можно вызвать с помощью другой стимуляции электрода обрн я для местных, уровня зависит от ICMS или отдаленные участки. ICMS Использование поведенческого анализа для обнаружения сигнала может быть определено, какая стратегия стимуляции наиболее эффективными для выявления в поведенчески обнаруживаемого и характерные сигнал. Кроме того, параллельные многоканальный записи с использованием различных конструкций электродов (поверхностных электродов, глубины электроды и т.д.) позволяют для исследования нейронных наблюдаемых за время курса таких процессов обучения. Это будет обсуждаться, как изменения поведенческого дизайна может повысить познавательную сложность (например, обнаружение, дискриминация, реверсивное обучение).
Introduction
Фундаментальная цель поведенческой неврологии является установление конкретных связей между нейронными структурных и функциональных свойств, обучения и восприятия. Нейронная активность связана с восприятием и обучения может быть изучен электрофизиологические записи потенциалов действия и локальных потенциалов поля в различных структурах головного мозга в нескольких сайтах. В то время как электрофизиологические записи обеспечивают корреляционные связи между нервной деятельности и поведения, прямое электрическое Внутрикорковый микростимуляции (ICMS) на протяжении более века была наиболее прямой метод для тестирования причинно-следственных связей возбужденных популяций нейронов и их поведенческих и перцептивных эффектов 1 – 3. Многие исследования показали, что животные способны использовать различные пространственные и временные свойства электрических стимулов в перцептивных задач в зависимости от места стимуляции в например retinotopic 4, тonotopic 5 или 6 somatotopic регионы коры. Распространение электрически вызванной активности в коре головного мозга, в основном, определяется расположение аксонов волокон и их распределенной синаптической связи 2, что в коре головного мозга, явно слой зависит от 7. Полученный полисинаптический активации, вызванный ICMS отныне гораздо более широкое распространение, чем прямого воздействия электрического поля 2,8,9. Это объясняет, почему пороги восприятия эффектов вызываемые интракортикальных микростимуляции может быть сильно зависит от слоя 8,10,11 и сайт-зависимой 9. Недавнее исследование продемонстрировало подробно, что стимуляция верхних слоев дали больше широко распространенное активации corticocortical схем в основном supragranular слоев, в то время как стимуляция глубоких слоев коры результате в фокальной, рецидивирующим кортикофугальный intracolumnar активации. Параллельные поведенческие эксперименты показали, что последний имеет значительно более низкую восприятия THR обнаруженияesholds 8. Таким образом, преимущество сайт-специфической ICMS в условных раздражителей было использовано в комбинации с электрофизиологических записей в причинно связаны определенные корковых активаций цепи от 8 до поведенческих мер обучения и восприятия в челночной коробке.
Двусторонний трансфер ящик парадигма хорошо создана лабораторная установка для изучения избегания обучения 12. Трансфер-окно состоит из 2 отделений, разделенных препятствие или дверях. Условный раздражитель (CS), что представляется подходящим сигнала как свет или звук, является условно сопровождается отвращение безусловного раздражителя (США), как, например, ноги шок над полом из металлической сетки. Субъекты могут научиться избегать США по курсируя от одного трансфер ящика отсека в другой в ответ на CS. Трансфер ящик обучение включает в себя последовательность различимых этапов обучения 13,14: Во-первых,предметы научиться предсказывать нас от CS классической кондиционирования и уйти от США инструментальной кондиционирования, как США расторгается челночные. В следующей фазе, предметы научиться избегать США вообще по курсируя в ответ на CS до начала американской (реакция избегания). Как правило, трансфер-окно включает в себя классическую обучения кондиционер, инструментальную кондиционер, а также целенаправленное поведение в зависимости от фазы 14 обучения.
Процедура трансфер-коробка может быть установлена легко и обычно приводит к получению надежной поведение после нескольких ежедневных тренировок 15 – 17. В дополнение к простой избегания кондиционирования (обнаружения), трансфер-коробка может быть дополнительно использован для изучения дискриминации по стимулированию, используя Go / NoGo парадигмы. Здесь животные обучаются избегать США по условной реакции (CR) (перейти поведение; трансфер в обратном ящиком) в ответ на <сильный> го-раздражитель (CS +) и NoGo поведения (остается в текущем отсека; не CR) в ответ на NoGo-стимула (CS-) Параллельно микростимуляции и запись нейронной активности с массивами многоэлектродной высокой плотности позволяют изучать. физиологические механизмы, лежащие в основе успешного обучения. , Будут обсуждаться несколько технических деталей, которые имеют основополагающее значение для успешных комбинаций трансфер ящика обучения, ICMS и параллельного электрофизиологии.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол описывает метод одновременных сайт-специфические ICMS и многоканальных электрофизиологических записей в обучении животного с помощью двусторонней отвращение футов шок системы контролируется трансфер ящик. Протокол подчеркивает технических ключевых понятий для такой к…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Работа была поддержана грантами от Deustche Forschungsgemeinschaft DFG и Лейбница Института нейробиологии. Мы благодарим Марию-Марина Zempeltzi и Катрин OHL для оказания технической помощи.
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).
