Кондиционер Eyeblink - Eyeblink conditioning

Кондиционер Eyeblink (EBC) является формой классическое кондиционирование который широко использовался для изучения нейронных структур и механизмов, лежащих в основе обучение и объем памяти. Процедура относительно проста и обычно состоит из пары слуховых или зрительных стимул (в условный раздражитель (CS)) с глазкоммигать -помощь безусловный стимул (США) (например, легкий поток воздуха на роговицу или легкий шок). Наивные организмы сначала производят рефлексивное, безусловный ответ (UR) (например, мигание или расширение мигательной перепонки), которое следует за началом УЗИ. После множества пар CS-US образуется такая ассоциация, что выученное моргание или условный ответ (CR) возникает и предшествует началу УЗИ.[1] Величина обучение обычно измеряется процентом всех парных CS-US испытания что приводит к CR. В оптимальных условиях хорошо обученные животные производят высокий процент CR (> 90%). Условия, необходимые для и физиологические механизмы, которые управляют обучением CR методом моргания, были изучены во многих странах. млекопитающее виды, включая мышей, крыс, морских свинок, кроликов, хорьков, кошек и людей. Исторически кролики были самыми популярными объектами исследований.

CS-US на случай непредвиденных обстоятельств

Порядок предъявления стимулов является важным фактором во всех формах классическое кондиционирование. Прямое кондиционирование описывает формат представления, в котором CS во времени опережает США. То есть, с точки зрения объекта исследования, знакомство с США условный только что испытав CS. EBC обычно, но не всегда, проводится таким образом. Другой стимул непредвиденные обстоятельства включают обратное кондиционирование, в котором US предшествует CS, и одновременное кондиционирование, в котором одновременно представлены CS и US. В любом случае время между началом CS и началом US является межстимульный интервал (ISI). Животных обычно тренируют с более коротким межвидовым интервалом, чем у людей, что может затруднить межвидовые сравнения.[2]

Процедуры задержки и отслеживания

При задержке EBC начало CS предшествует началу УЗ, и два стимула перекрываются и совпадают, причем стимулы сходятся в коре мозжечка и межположительном ядре.[3] В трассировке EBC CS предшествует US, и между смещением CS и началом US есть период без стимула (интервал трассировки). Хотя обе эти процедуры требуют мозжечок, процедура трассировки также требует гиппокамп и медиальная префронтальная кора.[4][5]

Нейронная схема

Мигающий рефлекс

Когда УЗИ направляется на роговицу глаза, сенсорная информация передается в ядро тройничного нерва и передается как прямо, так и косвенно (через ретикулярная формация ) к аксессуару похищает и отводит двигательные ядра (см. Ядро черепного нерва ). Продукция этих ядер контролирует различные мышцы глаза, которые работают синергетически, вызывая безусловную реакцию моргания на стимуляцию роговицы (обзор: Christian & Thompson, 2003). Электромиограмма (ЭМГ) активность orbicularis oculi мышца, который контролирует закрытие век, считается наиболее заметным и чувствительным компонентом моргания (Lavond et al., 1990) и, таким образом, является наиболее распространенным поведенческим зависимая переменная в исследованиях EBC.

Путь в США

Ядро тройничного нерва также посылает эфферентные проекции на низшая оливковая (IO), и это представляет собой путь США для EBC. Критической областью IO для кондиционирования моргания является дорсальная добавочная оливковая (Brodal, 1981) и лазание по волокнам (CF) из этого региона отправляют информацию о США в мозжечок (Бродал, Уолберг и Ходдевик, 1975; Томпсон, 1989). Волокна для лазания в конечном итоге выходят как на ядра мозжечка и Клетки Пуркинье (ПК) в кора мозжечка.

Путь CS

В понтинные ядра (PN) могут поддерживать различные модели CS (слуховой тон, свет и т. Д.) Для EBC, поскольку они получают проекции от слуховых, зрительных, соматосенсорных и ассоциативных систем (Glickstein et al., 1980; Brodal, 1981; Schmahmann & Pandya, 1989 ; 1991; 1993). Когда CS является тональным, слуховая информация принимается через кохлеарные ядра (Steinmetz & Sengelaub, 1992). PN дают начало моховое волокно (MF) аксоны которые несут информацию, связанную с CS (Steinmetz et al., 1987; Lewis et al., 1987; Thompson et al., 1997), в мозжечок через средний стебель мозжечка, и оканчиваются как в ядрах мозжечка, так и в гранулярные клетки (GR) коры мозжечка (Steinmetz & Sengelaub, 1992). Гранулярные клетки дают начало параллельное волокно (PF) аксоны, которые синапсируются с ПК.

CS-US конвергенция в мозжечке

Двумя участками конвергенции CS-US мозжечка являются: 1) клетки глубинной ядерной области мозжечка и 2) ПК коры.[6] В дополнение к получению сходящегося входа CS и US через PN и IO, соответственно, клетки ядер мозжечка получают ГАМК -ергический тормозной ввод от ПК коры мозжечка. Выход из межположительного ядра включает проекции на красное ядро, а красное ядро ​​посылает проекции на лицевое и отводящее ядра. Эти ядра обеспечивают выходной компонент двигателя рефлексивного моргания. Следовательно, глубокие ядра не только являются местом схождения стимулов, но и являются выходной структурой мозжечка.

Критическая роль вставленного ядра

Профессор Ричард Ф. Томпсон и его коллеги первоначально определили мозжечок как основную структуру для обучения и выполнения CR-изображений. Некоторые ученые считают, что вставленное ядро - это сайт, критически важный для обучения, сохранения и выполнения реакции на моргание.

Исследования повреждений

Первые доказательства роли мозжечка в EBC были получены от McCormick et al. (1981). Они обнаружили, что одностороннее поражение мозжечка, которое включает как кору, так и глубокие ядра, навсегда устраняет CR. В последующих исследованиях было определено, что поражения латерального межположительного и медиального зубчатых ядер были достаточными для предотвращения приобретения CR у наивных животных (Lincoln et al., 1982) и отменили CR у хорошо обученных животных (McCormick & Thompson, 1984). .[7] Наконец, использование Каиновая кислота Повреждения, которые разрушают тела нейронных клеток и лишние проходящие волокна, предоставили доказательства сильно локализованной области ядерных клеток мозжечка, которые необходимы для обучения и выполнения CR (Lavond et al., 1985). Популяция клеток, критических для EBC, по-видимому, ограничена площадью ~ 1 мм3 дорсолатерального переднего INP. ипсилатеральный условному глазу. Поражение этой области INP приводит к неспособности приобретать CR моргания у наивных животных. Кроме того, замечательно постоянство эффекта локализованного поражения. У хорошо обученных животных CR, отмененные в результате поражения, не восстанавливаются даже после обширного обучения, которое длится более 8 месяцев (Steinmetz et al., 1992). Эти результаты демонстрируют, что сильно локализованная область мозжечка должна быть интактной, чтобы обучение CR происходило в EBC.

Исследования обратимой инактивации

Обратимая инактивация INP предоставила дополнительные доказательства его роли в EC. Методы, используемые для временной инактивации нервной ткани, включают использование охлаждающего зонда (<10 ° C) и местное введение Muscimol или Лидокаин. Эти методы выгодны прежде всего потому, что экспериментатор может включать и выключать нейтральную ткань, как таковой. Влияние каждого из этих протоколов инактивации на обучение и выполнение CR было протестировано в мозжечке и связанных с ним структурах ствола мозга. Применительно к INP временная инактивация полностью предотвращает обучение CR у наивных животных, и обучение обычно происходит во время обучения после инактивации (Clark et al., 1992; Krupa et al., 1993; Nordholm et al., 1993; Krupa & Томпсон, 1997). Кроме того, инактивация INP у хорошо обученных животных приводит к полной депрессии условной реакции, которая возвращается к уровням плато, когда INP возвращается в рабочее состояние (Clark et al., 1992).

Исследования нейронной записи

Регистрация многокомпонентной нейрональной активности кроличьего INP во время кондиционирования моргания была возможна с хронические электродные имплантаты и выявили популяцию клеток, которые разряжаются до инициирования усвоенного моргания CR и запускаются по паттерну повышенной частоты ответа, который предсказал и смоделировал временную форму поведенческого CR (McCormick et al., 1981; 1982; 1983 ; Томпсон, 1983; 1986; Фой и др., 1984; Маккормик и Томпсон, 1984a; b; Бертье и Мур, 1990; Гулд и Штайнметц, 1996). Сходные результаты были обнаружены у крысиного INP (Freeman & Nicholson, 2000; Stanton & Freemen, 2000; Rogers et al., 2001), тем самым демонстрируя, что основные схемы для этой формы обучения могут сохраняться у разных видов. Хотя образцы единичной активности INP и окружающих ядер выявили множество паттернов ответа во время EBC (Tracy, 1995), многие клетки в переднем дорсолатеральном INP значительно увеличивают свою скорость активации в точном временном паттерне, который задерживается. от начала CS и до начала CR (Foy et al., 1984; Berthier & Moore, 1990). Этот образец ответа указывает на структуру, которая способна кодировать обучение и / или выполнять выученные поведенческие реакции.

Критические сайты для последующего обучения

Альтернативные сайты синаптическая пластичность критические для EBC, как предполагается, существуют ниже мозжечка. Некоторые предлагаемые локусы включают красное ядро ​​(Tsukahara, Oda и Notsu, 1981), ядро ​​тройничного нерва и связанные с ним структуры (Desmond & Moore, 1983) или лицевое моторное ядро (Woody et al., 1974). Все эти структуры были исключены как потенциальные участки пластичности, критически важные для обучения CR (Krupa, Thompson, and Thompson, 1993; Clark and Lavond, 1996; Krupa, Weng, and Thompson, 1996).

Резюме

Взятые вместе, результаты исследований повреждений, инактивации и нейронной регистрации, по-видимому, демонстрируют, что дорсолатеральная часть переднего межположительного ядра (INP) мозжечка, ипсилатеральная по отношению к тренированному глазу, является важным местом для приобретения и экспрессии CR в EBC ( Lincoln et al., 1982; Lavond et al., 1984a, b). Однако недавние исследования (Nilaweera et al., 2006) обнаружили, что временная блокада мозжечковой продукции препятствует нормальному приобретению условных реакций. Авторы пришли к выводу, что эта форма ассоциативного обучения в системе моргания глаз кролика требует внемозжечкового обучения и / или мозжечкового обучения, которое зависит от работы петель обратной связи мозжечка.

Роль коры мозжечка

Две области коры, которые, как известно, участвуют в кондиционировании моргания глаз, - это HVI дольки (Lavond et al., 1987; Lavond and Steinmetz, 1989; Yeo and Hardiman, 1992) и передняя доля ((ANT) Garcia, Steele и Mauk , 1999). Важность коры мозжечка в EBC по сравнению с INP является предметом дискуссий в научном сообществе.

Исследования повреждений

В нескольких исследованиях была предпринята попытка оценить роль коры мозжечка в обучении CR методом моргания, а ранние исследования были сосредоточены на крупных аспирационных поражениях коры мозжечка. Lavond и Steinmetz (1989) полностью удалили дольки HVI / HVIIa и значительные части ANT, сохранив INP, и обнаружили значительный дефицит сбора. По сравнению с контрольной группой, пораженным животным потребовалось в семь раз больше времени для достижения критерия обучения. Значительные проценты CR были в конечном итоге достигнуты животными с повреждением коры, но CR были низкими по амплитуде и плохо рассчитывались по времени. Наконец, большие поражения коры мозжечка после обучения не отменяют выученные CR (Lavond et al., 1987). Общим фактором во всех этих исследованиях кортикальной абляции было то, что части коры были сохранены; что позволяет предположить, что другие области коры компенсируют потерю ткани.

В pcd мышь

Классическое кондиционирование линии мутантных мышей с дефицитом клеток Пуркинье помогло определить степень, в которой сохраненные области коры мозжечка компенсировали пораженные области в исследованиях, упомянутых выше. Эти мыши рождаются с ПК, которые умирают примерно через 3 недели жизни. Поскольку ПК являются единственным выходным нейроном коры, эта модель эффективно поражает всю кору мозжечка. Результаты кондиционирования были аналогичны мышам, получавшим кортикальную аспирацию. Мышам потребовалось значительно больше времени для выработки CR, а время и усиление ответа были искажены (Chen et al., 1996). Следовательно, хотя дефицит обучения CR с помощью моргания связан с поражением коры мозжечка, структура, по-видимому, в конечном итоге не является существенной для обучения или удержания CR.

Исследования обратимой инактивации

Результаты исследований инактивации коры мозжечка аналогичны результатам исследований поражений. Например, Krupa (1993) инактивировал дольку HVI с ГАМКА рецептор агонист Muscimol и обнаружили значительный дефицит усвоения, но животные в конце концов научились. Кларк и др. (1997) воспроизвели эти результаты с помощью охлаждающего зонда в HVI. Атвелл, Рахман и Йео (2001) обнаружили аналогичное нарушение при инактивации HVI. Они вливали антагонист рецепторов AMPA CNQX в HVI во время обучения приобретению и обнаружили, что CNQX -инфицированные кролики не обучались CR. Однако инфузии CNQX после приобретения не повлияли на удержание. Эти результаты вызывают недоумение, учитывая, что животные в конечном итоге узнали CR по морганию во всех других исследованиях поражения коры мозжечка и инактивации. Одна из причин того, почему этот эффект настолько силен, может заключаться в том, что Attwell et al. (2001) тренировали животных всего 4 дня с ISI, выходящим за пределы диапазона, который, как известно, является оптимальным для обучения [150–300 мс является оптимальным CS- Интервал США и степень обучения уменьшаются по мере увеличения ISI (Schneiderman and Gormezano, 1964; Smith, Coleman, and Gormezano, 1969)].

Исследования нейронной записи

Исследования электрофизиологической записи коры мозжечка помогли лучше понять роль, которую ПК играют в процессе обучения CR по морганию. Маккормик и Томпсон (1984b) записали активность ПК во время тренировки моргания глаз и обнаружили, что популяции клеток, которые разряжаются по схеме, очевидно, связаны с поведенческой CR, в то время как другие популяции ПК разряжаются по образцам, которые совпадают либо с представлением CS, либо с US. Сходные результаты были получены Berthier и Moore (1986) с единичной регистрацией ПК в доле HVI. Они обнаружили, что популяции нейронов возбуждаются в связи с различными аспектами тренировки моргания глаз, включая CS и US презентацию и выполнение CR. (Бертье и Мур, 1986; Гулд и Штейнмец, 1996). Недавно аналогичная активность ПК, связанная со стимулом и ответом, была обнаружена в ANT (Green and Steinmetz, 2005). Наконец, электрофизиологические записи ПК при HVI и ANT показали разницу в ответах ПК в целом. Большинство ПК проявляют возбуждающие паттерны активности во время кондиционирования моргания при HVI (Berthier and Moore, 1986; Gould and Steinmetz, 1996; Katz and Steinmetz, 1997) и паттерны ингибирующей активности при ANT (Green and Steinmetz, 2005).
В исследовании единичной записи, где было показано, что отдельные клетки Пуркинье расположены в области, контролирующей моргание, и получают входной сигнал карабкающегося волокна в США, были обнаружены только тормозящие реакции.[8] В недавнем исследовании аналогичным образом охарактеризованных клеток Пуркинье, за которым наблюдали в течение более чем пятнадцати часов, было обнаружено, что повторные презентации CS и US вызывают постепенное развитие паузы в активации клеток Пуркинье.[9] Этот ответ на паузу, называемый CR клеток Пуркинье, также был получен, когда прямая стимуляция мшистыми волокнами использовалась в качестве CS и прямая стимуляция лазанием волокнами, как США. Непарные представления CS и US вызывали угасание CR клеток Пуркинье. Когда парные представления были повторно введены после исчезновения, CR клеток Пуркинье снова быстро появлялись, отражая феномен «сбережений», продемонстрированный на поведенческом уровне. CR клеток Пуркинье также были адаптированы по времени.

Обратная связь контроль обучения

Было показано, что глубокие ядра мозжечка подавляют нижнюю оливу, и это ингибирование, вероятно, выполняет функцию контроля отрицательной обратной связи.[10] По мере того как обучение продолжается, олива становится тормозной, и было показано, что это ингибирование имеет временные свойства, которые идеально подходят для использования в качестве сигнала обратной связи для управления обучением. Стимуляция этого пути во время парных презентаций CS - US вызывает вымирание. Записи клеток Пуркинье показывают, что оливковое масло подавлено во время CR клетки Пуркинье.[11]

Резюме

Взятые вместе, результаты исследований повреждений, инактивации и нейронной записи, по-видимому, демонстрируют, что кора мозжечка не важна для базового обучения или удержания CR методом моргания, но что значительный вклад коры головного мозга лежит в основе нормального обучения.

Синаптические механизмы, лежащие в основе EBC

Параллельное волокно - синапс клетки Пуркинье

Долгосрочная депрессия (LTD) в синапсе PF-PC, как предполагается, имеет значительные функциональные последствия для обучения поведенческому CR в EBC (Ito, 1984). Например, в результате обучения клетки INP разряжаются до выполнения CR и запускаются в соответствии с паттерном повышенной частоты ответа, который предсказывает временную форму поведенческого CR (McCormick & Thompson, 1984). Этот образец активности ясно указывает на то, что INP способен генерировать условный ответ. Клетки Пуркинье коры мозжечка тонически подавляют глубокие ядерные клетки. Следовательно, LTD-опосредованное снижение активности PC в соответствующее время в течение интервала CS-US может высвободить INP от тонического ингибирования и позволить выполнение CR. Увеличение активности ПК может иметь противоположный эффект, запрещая или ограничивая выполнение CR. Была выдвинута гипотеза, что CR генерируются INP в результате высвобождения из-за ингибирования PC (т.е. Perrett et al., 1993).

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Браха, Властислав (1 сентября 2009 г.). «Мозжечок и моргание: гипотезы обучения и производительности сети». Неврология. 3 (162): 787–96. Дои:10.1016 / j.neuroscience.2008.12.042. ЧВК  2822538. PMID  19162131.
  2. ^ Челл, Катарина (3 декабря 2018 г.). «Более длинный межстимульный интервал способствует лучшему обучению взрослых и подростков». Front Behav Neurosci. 12: 299. Дои:10.3389 / fnbeh.2018.00299. ЧВК  6286956. PMID  30559655.
  3. ^ Такехара, К. (2016). "Анатомия и физиология классического кондиционирования глаз". Анатомия и физиология классического кондиционирования моргания в: Поведенческая нейронаука обучения и памяти. Актуальные темы поведенческой нейронауки. 37. Спрингер, Чам. С. 297–323. Дои:10.1007/7854_2016_455. ISBN  978-3-319-78755-8. PMID  28025812.
  4. ^ Такехара, К., Кавахара, С., и Кирино, Ю. (2003). Зависящая от времени реорганизация компонентов мозга, лежащих в основе сохранения памяти при отслеживании моргания глаз. J. Neurosci., 23:9896–9905.
  5. ^ Сквайр, Л. Р., Старк, К. Е. Л. и Р. Е. Кларк (2004). Медиальная височная доля. Анну. Rev. Neurosci. 27:279–306.
  6. ^ Браха, Властислав (09.01.2009). «Мозжечок и моргание: гипотезы обучения и производительности сети». Неврология. 3 (162): 787–96. Дои:10.1016 / j.neuroscience.2008.12.042. ЧВК  2822538. PMID  19162131. Проверить значения даты в: | дата = (Помогите)
  7. ^ Маккормик Д.А., Томпсон Р.Ф. (1984) Мозжечок: существенное участие в классически обусловленной реакции век. Наука 223: 296-299.
  8. ^ Hesslow G, Ivarsson M (1994) Подавление клеток Пуркинье мозжечка во время условных реакций у хорьков. NeuroReport 5: 649-652.
  9. ^ Джиренхед Д.А., Бенгтссон Ф. и Хесслоу Г. (2007). Приобретение, исчезновение и повторное приобретение следов кортикальной памяти мозжечка. Журнал неврологии 27: 2493-2502
  10. ^ Бенгтссон, Ф. и Хесслоу, Г. (2006). Мозжечок, контролирующий нижнюю оливу. Мозжечок 5: 7-14
  11. ^ Расмуссен, А., Джиренхед, Д.-А, Хесслоу, Г. (2008). Простые и сложные паттерны возбуждения спайков в клетках Пуркинье при классическом кондиционировании. Cerebelllum. 7: 563-566