Gecombineerd Shuttle-Box Training met Elektrofysiologische Cortex opnemen en stimulatie als een instrument om Perception en learning studie
Summary
Shuttle-box vermijdingsleren is goed opgericht in behavioral neurowetenschappen. Dit protocol beschrijft hoe shuttle-learning in knaagdieren kan worden gecombineerd met locatie-specifieke elektrische intracorticale microstimulatie (ICMS) en gelijktijdige chronische in vivo opnames als een instrument om meerdere aspecten van leren en perceptie bestuderen.
Abstract
Shuttle-box vermijden leren is een gevestigde methode in gedrags-neurowetenschappen en experimentele opstellingen waren van oudsher op maat; de nodige apparatuur is nu beschikbaar door diverse commerciële bedrijven. Dit protocol geeft een gedetailleerde beschrijving van een twee-weg shuttle-box vermijden leren in knaagdieren (hier Mongoolse gerbils; Meriones unguiculatus) in combinatie met locatie-specifieke elektrische intracorticale microstimulatie (ICMS) en gelijktijdig chronisch elektrofysiologische in vivo opnames. De gedetailleerde protocol is van toepassing op verschillende aspecten van het leergedrag en perceptie in verschillende soorten knaagdieren bestuderen.
Plaatsspecifieke ICMS auditieve corticale circuits geconditioneerde stimuli hier wordt gebruikt als een instrument om het perceptuele belang van specifieke afferente, efferente en intracorticale verbindingen te testen. Distinct activeringspatronen kan worden opgewekt door verschillende stimulatie-elektrode arrays voor lokale, laag-afhankelijke ICMS of verre ICMS sites. Gebruik makend behavioral signaaldetectie analyse kan worden bepaald welke stimulatiestrategie het meest effectief voor het opwekken van een gedragsmatig detecteerbaar en opvallende signaal. Verder parallel multichannel-opnamen met verschillende elektrode-ontwerpen (oppervlakte-elektroden, diepte-elektroden, enz.) Zorgen voor het onderzoeken van neuronale van de zichtbaarheid in het tijdsverloop van dergelijke leerprocessen. Het zal worden besproken hoe veranderingen van het ontwerp van de cognitieve gedragstherapie complexiteit kunnen verhogen (bv detectie, discriminatie, reversal learning).
Introduction
Een fundamentele doelstelling van behavioral neurowetenschappen is om specifieke verbindingen tussen neuronale structurele en functionele eigenschappen, leren en waarneming vast te stellen. Neurale activiteit in verband met de perceptie en leren kan worden bestudeerd door elektrofysiologische opname van actiepotentialen en lokale veld potentieel in verschillende hersenstructuren op meerdere plaatsen. 3 – terwijl elektrofysiologische opnames bieden correlatieve associaties tussen neurale activiteit en gedrag, heeft directe elektrische intracorticale microstimulatie (ICMS) voor meer dan een eeuw de meest directe methode voor het testen van causale relaties van opgewonden populaties van neuronen en hun gedrag en perceptuele effecten 1 geweest. Vele studies hebben aangetoond dat dieren kunnen maken van verschillende ruimtelijke en temporele eigenschappen van elektrische stimuli perceptuele taken naargelang de stimulatie plaats binnen bijvoorbeeld retinotopische 4, vooreerstonotopic 5 of somatotopic 6 regio's in de cortex. Voortplanting van elektrisch opgewekte activiteit in de cortex wordt voornamelijk bepaald door de indeling van axonale vezels en hun gedistribueerd synaptische connectiviteit 2 dat in cortex, duidelijk layer-afhankelijke 7. De resulterende polysynaptic activering opgeroepen door ICMS is voortaan veel meer wijdverspreid dan de directe effecten van het elektrisch veld 2,8,9. Dit verklaart waarom de drempels van perceptuele effecten opgewekt door intracorticale microstimulatie sterk layer-afhankelijke 8,10,11 en locatie-afhankelijke 9 kan zijn. Een recente studie toonde in detail dat de stimulatie van de bovenste lagen leverde meer wijdverbreide activering van corticocortical circuits in voornamelijk supragranular lagen, terwijl het stimuleren van de diepere lagen van de cortex resulteren in een brandpunt, terugkerende corticoefferent intracolumnar activering. Parallelle gedragsexperimenten bleek dat de laatste heeft veel lagere perceptuele detectie THResholds 8. Daarom is het gebruik van plaatsspecifieke ICMS als geconditioneerde stimuli werd in combinatie met elektrofysiologische opnames benut causaal verband specifieke corticale circuit activeringen 8 tot gedragsmaten leren en waarneming in de shuttle-box.
De twee-weg shuttle-box paradigma is een gevestigde laboratoriumapparatuur te vermijden leren 12 te bestuderen. Een shuttle-box bestaat uit 2 compartimenten gescheiden door een hindernis of deuropening. Een geconditioneerde stimulus (CS), die wordt vertegenwoordigd door een geschikte signaal als een licht of geluid, is voorwaardelijk gevolgd door een aversieve ongeconditioneerde stimulus (US), zoals bijvoorbeeld een voet schok over een metalen roostervloer. Onderwerpen kunnen leren de Amerikaanse vermijden door shuttling van een shuttle-box compartiment naar het andere in reactie op het CS. Shuttle-box learning omvat een reeks van onderscheiden leerfasen 13,14: Ten eerste,onderwerpen leren om de VS uit het CS te voorspellen door klassieke conditionering en om te ontsnappen aan de VS door instrumentale conditionering, de VS wordt beëindigd op pendelen. In een volgende fase, onderwerpen leren de Amerikaanse helemaal te vermijden door shuttling reactie op de CS bij Amerikaanse aanzet (vermijding reactie). In het algemeen, shuttle-box leren impliceert klassieke conditionering, instrumentale conditionering, evenals doelgericht gedrag afhankelijk leerfase 14.
De shuttle-box procedure kan worden ingesteld eenvoudig en over het algemeen produceert robuust gedrag na een paar dagelijkse trainingen 15-17. Naast eenvoudige vermijding conditionering (detectie), kan de shuttle-box verder worden gebruikt voor discriminatie stimulus bestuderen door gebruik go / nogo paradigma. Hier worden dieren getraind om de VS door een geconditioneerde respons (CR) (ga gedrag; shuttle in tegenovergestelde compartiment) voorkomen in reactie op een <strong> go-stimulus (CS +) en Nogo gedrag (verblijf in de huidige compartiment, geen CR) in reactie op een Nogo-stimulus (CS) Parallelle microstimulatie en registratie van neurale activiteit high-density Multielectrode laten bestuderen. de fysiologische mechanismen die ten grondslag liggen succesvol leren. Diverse technische details die van fundamenteel belang voor de succesvolle combinaties van shuttle-box training ICMS en parallelle elektrofysiologie zijn, zullen worden besproken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol beschrijft een methode van simultane site-specific ICMS en multi-channel elektrofysiologische opnames in een leren dier met behulp van een twee-weg aversieve voet shock-gecontroleerde shuttle-box systeem. Het protocol legt de nadruk technische kernbegrippen voor deze combinatie en wijst op het belang van de aarding van de dieren alleen via de gemeenschappelijke grond elektrode, het verlaten van de roostervloer op een drijvend spanning. Hier werd auditief shuttle-box leren toegepast op Mongoolse gerbils als-…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Het werk werd ondersteund door subsidies van de Deustche Forschungsgemeinschaft DFG en het Leibniz-Instituut voor Neurobiologie. Wij danken Maria-Marina Zempeltzi en Kathrin Ohl voor technische ondersteuning.
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. 신경과학. 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).
