Кондиционирование моргания

Кондиционирование моргания ( EBC ) – это форма классической обусловленности , которая широко используется для изучения нейронных структур и механизмов, лежащих в основе обучения и памяти . Процедура относительно проста и обычно состоит из сочетания слухового или зрительного стимула ( условного стимула (УС)) с моргание глаз (УЗ), вызывающим безусловным стимулом (например, легкий дуновение воздуха в роговицу или легкий шок). Наивные организмы первоначально производят рефлекторную, безусловную реакцию (UR) (например, моргание или растяжение мигательной перепонки), которая следует за началом УЗ. После многих пар CS-US формируется такая ассоциация, что возникает выученное моргание, или условный ответ (CR), и он предшествует началу US. Масштаб обучения обычно измеряется процентом всех парных исследований CS-US , которые привели к CR. В оптимальных условиях хорошо обученные животные производят высокий процент CR (>90%). Условия, необходимые для обучения CR при моргании глаз, и физиологические механизмы, которые управляют обучением CR, были изучены на многих видах млекопитающих , включая мышей, крыс, морских свинок, кроликов, хорьков, кошек и людей. Исторически кролики были самым популярным объектом исследований.

CS-США непредвиденный случай

Порядок предъявления стимулов является важным фактором во всех формах классического обусловливания . Форвардное кондиционирование описывает формат представления, в котором CS предшествует США по времени. То есть, с точки зрения субъекта исследования, знакомство с США зависит от того, что он только что испытал CS. ЕДК обычно, но не всегда, проводится таким образом. стимулирования Другие непредвиденные обстоятельства включают обратное обуславливание , при котором US предшествует CS, и одновременное обусловливание , при котором CS и US представлены одновременно. В любом случае время между началом CS и началом УЗИ представляет собой межстимульный интервал (ISI). Животные обычно обучаются с более коротким ISI, чем люди, что может затруднить межвидовое сравнение.

Процедуры задержки и отслеживания

При задержке EBC начало CS предшествует началу УЗИ, и два стимула перекрываются и совпадают, при этом стимулы сходятся в коре мозжечка и промежуточном ядре. В трассировке EBC CS предшествует US, и между смещением CS и началом US существует период без стимулов (интервал трассировки). Хотя обе эти процедуры требуют использования мозжечка , процедура трассировки также требует использования гиппокампа и медиальной префронтальной коры.

Нейронная схема

Мигательный рефлекс

Когда ультразвуковой сигнал доставляется на роговицу глаза, сенсорная информация переносится к ядру тройничного нерва и передается как прямо, так и опосредованно (через ретикулярную формацию ) к добавочным отводящим и отводящим двигательным ядрам (см. Ядро черепного нерва ). Выходная мощность этих ядер контролирует различные глазные мышцы, которые работают синергетически, вызывая безусловную реакцию моргания на стимуляцию роговицы (обзор: Christian & Thompson, 2003). Электромиограмма (ЭМГ) активности круговой мышцы глаза , которая контролирует закрытие век, считается наиболее выраженным и чувствительным компонентом моргания (Lavond et al., 1990) и, таким образом, является наиболее распространенной зависимой переменной, зависящей от поведения человека . исследования EBC.

Путь США

Ядро тройничного нерва также посылает эфферентные проекции в нижнюю оливу (IO), и это представляет собой американский путь для EBC. Критической областью IO для формирования глазного моргания является дорсальная добавочная олива (Brodal, 1981), и лазающие волокна (CF) из этой области передают информацию о США в мозжечок (Brodal, Walberg & Hoddevik, 1975; Thompson, 1989). . Восходящие волокна в конечном итоге проецируются как к глубоким ядрам мозжечка , так и к клеткам Пуркинье (ПК) в коре мозжечка .

Путь CS

( Ядра моста PN) могут поддерживать различные модальности CS (слуховой тон, свет и т. д.) при КВМ, поскольку они получают проекции от слуховой, зрительной, соматосенсорной и ассоциативной систем (Glickstein et al., 1980; Brodal, 1981; Schmahmann & Пандия, 1989; 1993; Когда CS представляет собой тон, слуховая информация поступает через ядра улитки (Steinmetz & Sengelaub, 1992). PN дают начало мшистых волокон (MF) аксонам , которые несут информацию, связанную с CS (Steinmetz et al., 1987; Lewis et al., 1987; Thompson et al., 1997), в мозжечок через среднюю мозжечковую ножку и заканчиваются как в ядрах мозжечка, так и в гранулярных клетках (ГР) коры мозжечка (Штайнмец и Сенгелауб, 1992). Клетки-гранулы дают начало аксонам параллельных волокон (PF), которые образуют синапсы на ПК.

Конвергенция CS-US в мозжечке

Двумя мозжечковыми участками конвергенции CS-US являются 1) клетки глубокой ядерной области мозжечка и 2) ПК коры головного мозга. В дополнение к получению конвергентного входного сигнала CS и US через PN и IO, соответственно, клетки ядер мозжечка получают ГАМК -ергический тормозной вход от ПК коры мозжечка. Выходной сигнал промежуточного ядра включает проекции на красное ядро , а красное ядро ​​посылает проекции на лицевое и отводящее ядра. Эти ядра обеспечивают моторный компонент рефлекторного моргания. Таким образом, глубокие ядра не только являются местом конвергенции стимулов, но и являются выходной структурой мозжечка.

Критическая роль внедренного ядра

Дэвид А. Маккормик , будучи аспирантом профессора Ричарда Ф. Томпсона, первоначально определил мозжечок как важную структуру для обучения и выполнения CR при моргании. Некоторые ученые считают, что вставленное ядро ​​является местом, критически важным для обучения, сохранения и выполнения условной реакции моргания.

Исследования повреждений

Первые доказательства роли мозжечка в КВМ были получены McCormick et al. (1981). Они обнаружили, что одностороннее поражение мозжечка, включающее как кору, так и глубокие ядра, навсегда устраняет CR. В последующих исследованиях было установлено, что поражения латерального промежуточного и медиального зубчатого ядер были достаточными для предотвращения приобретения CR у наивных животных (Lincoln et al., 1982) и отмены CR у хорошо обученных животных (McCormick & Thompson, 1984). . Наконец, использование поражений каиновой кислотой , которые разрушают тела нейрональных клеток и сохраняют проходящие волокна, предоставило доказательства наличия высоко 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 около 1 мм3 дорсолатерального переднего INP, ипсилатерального к кондиционированному глазу. Поражения этой области INP приводят к невозможности приобретения CR при моргании у наивных животных. Кроме того, примечательна устойчивость эффекта локализованного поражения. У хорошо тренированных животных CR, отмененные в результате поражения, не восстанавливаются даже после интенсивного обучения, продолжающегося более 8 месяцев (Steinmetz et al., 1992). Эти результаты демонстрируют, что высоко локализованная область мозжечка должна быть неповрежденной, чтобы обучение CR происходило при 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 мусцимола или лидокаина . Эти методы имеют преимущество прежде всего потому, что экспериментатор может, по сути, включать и выключать нейтральную ткань как таковую . Влияние каждого из этих протоколов инактивации на обучение и выполнение CR было протестировано во всем мозжечке и связанных с ним структурах ствола мозга. При применении к INP временная инактивация полностью предотвращает обучение CR у наивных животных, и обучение обычно происходит во время постинактивационного обучения (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 условного ответа, который возвращается к уровням плато, когда INP снова активируется (Clark et al., 1992).

Исследования нейронной записи

Запись активности множественных нейронов кролика INP во время кондиционирования глазного моргания была возможна с помощью хронических имплантатов электродов и выявила популяцию клеток, которые разряжаются до начала выученного CR глазного моргания и огня по схеме повышенной частоты ответов, что предсказало и смоделировали временную форму поведенческого CR (McCormick et al., 1981; 1982; 1983; Thompson, 1983; Фой и др., 1984; Бертье и Мур, 1990; Аналогичные результаты были обнаружены в INP крыс (Freeman & Nicholson, 2000; Stanton & Freemen, 2000; Rogers et al., 2001), тем самым демонстрируя, что основные схемы 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 скорость своей активности по точной временной схеме, которая отсрочена. от начала CS и предшествует началу CR (Foy et al., 1984; Berthier & Moore, 1990). Этот образец реагирования указывает на структуру, которая способна кодировать обучение и/или выполнять заученные поведенческие реакции.

Важные сайты для последующего обучения

альтернативные участки синаптической пластичности, Предполагается, что критические для EBC, существуют ниже мозжечка. Некоторые предполагаемые локусы включают красное ядро ​​(Tsukahara, Oda и Notsu, 1981), ядро ​​тройничного нерва и связанные с ним структуры (Desmond & Moore, 1983) или двигательное ядро ​​лица (Woody et al., 1974). Все эти структуры были исключены как потенциальные места пластичности, критически важные для обучения CR при моргании (Krupa, Thompson and Thompson, 1993; Clark and Lavond, 1996; Krupa, Weng and Thompson, 1996).

Краткое содержание

В совокупности результаты исследований повреждений, инактивации и нейронной регистрации, по-видимому, демонстрируют, что дорсолатеральная часть переднего межпозитивного ядра (INP) мозжечка, ипсилатеральная по отношению к тренированному глазу, является важным местом для приобретения и экспрессии CR при EBC ( Линкольн и др., 1982; Лавонд и др., 1984а,б). Однако недавние исследования (Nilaweera et al., 2006) показали, что временная блокада мозжечковой продукции препятствует нормальному приобретению условных ответов. Авторы пришли к выводу, что эта форма ассоциативного обучения в системе моргания кролика требует внемозжечкового обучения и/или мозжечкового обучения, которое зависит от работы мозжечковых петель обратной связи.

Роль коры мозжечка

Известно, что две области коры головного мозга участвуют в обусловливании моргания — это долька HVI (Lavond et al., 1987; Lavond and Steinmetz, 1989; Yeo and Hardiman, 1992) и передняя доля ((ANT) Гарсия, Стил и Маук. , 1999). Важность коры мозжечка при КВМ по сравнению с ИНФ является предметом споров в научном сообществе.

Исследования повреждений

В нескольких исследованиях была предпринята попытка оценить роль коры мозжечка в обучении CR при моргании, а ранние исследования были сосредоточены на крупных аспирационных поражениях коры мозжечка. Lavond и Steinmetz (1989) полностью удалили дольки HVI/HVIIa и значительную часть ANT, сохранив INP, и обнаружили значительный дефицит приобретения. По сравнению с контрольной группой, пораженным животным потребовалось в семь раз больше времени, чтобы достичь критерия обучения. Значительный процент CR в конечном итоге был достигнут у животных с корковым поражением, но CR были низкой по амплитуде и плохо рассчитаны по времени. Наконец, крупные поражения коры мозжечка после обучения не отменяют выученные CR (Lavond et al., 1987). Одним из общих факторов во всех этих исследованиях кортикальной абляции было то, что части коры были сохранены; что позволило предположить, что другие области коры компенсируют потерю ткани.

Компьютерная ​ мышь

Классическое кондиционирование мутантной линии мышей с дефицитом клеток Пуркинье помогло определить степень, в которой сохраненные области коры мозжечка компенсировали поврежденные области в упомянутых выше исследованиях. Эти мыши рождаются с ПК, которые умирают примерно через 3 недели жизни. Поскольку ПК являются единственным выходным нейроном коры головного мозга, эта модель эффективно повреждает всю кору мозжечка. Результаты кондиционирования были аналогичны таковым у мышей с кортикальной аспирацией. Мышам потребовалось значительно больше времени для выработки CR, а время и усиление ответа были искажены (Chen et al., 1996). Таким образом, хотя дефицит обучения CR при моргании глаз связан с поражениями коры мозжечка, эта структура, в конечном счете, не является существенной для обучения или сохранения CR.

Исследования обратимой инактивации

Результаты исследований инактивации коры мозжечка аналогичны результатам исследований поражений. Например, Крупа (1993) инактивировал дольку HVI с помощью ГАМК _А рецептора агониста мусцимола и обнаружил значительный дефицит усвоения, но животные в конечном итоге научились. Кларк и др. (1997) повторили эти результаты с помощью охлаждающего зонда при ГВИ. Аттвелл, Рахман и Йео (2001) обнаружили аналогичные нарушения при инактивации HVI. Они вводили антагонист рецептора AMPA CNQX в HVI во время обучения и обнаружили, что кролики, которым вводили CNQX, не научились CR моргания. Однако инфузии CNQX после приобретения не влияли на удержание. Эти результаты вызывают недоумение, учитывая, что животные в конечном итоге выучили CR при моргании во всех других исследованиях повреждений и инактивации коры мозжечка. Одной из причин, почему этот эффект настолько силен, может быть то, что Аттвелл и др. (2001) обучали животных всего 4 дня при ISI, выходящем за пределы диапазона, известного как оптимальный для обучения [150–300 мс — оптимальный CS-сигнал]. Интервал УЗИ и величина 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 при моргании. Маккормик и Томпсон (1984b) зарегистрировали активность ПК во время тренировки моргания и обнаружили, что популяции клеток, которые разряжаются по паттерну, по-видимому, связаны с поведенческим CR, в то время как другие популяции ПК разряжаются по паттерну, совпадающему либо с предъявлением CS, либо с УЗ. Аналогичные результаты были получены Бертье и Муром (1986) при единичной регистрации ПК в дольке HVI. Они обнаружили, что популяции нейронов срабатывают в связи с различными аспектами тренировки моргания, включая презентацию CS и US и выполнение CR. (Бертье и Мур, 1986; Гулд и Стейнмец, 1996). Недавно аналогичная активность PC, связанная со стимулами и ответами, была обнаружена в ANT (Green and Steinmetz, 2005). Наконец, электрофизиологические записи ПК при HVI и ANT выявили разницу в общих популяционных реакциях ПК. Большинство ПК демонстрируют возбуждающие паттерны активности во время обусловливания моргания при HVI (Berthier и Moore, 1986; Gould and Steinmetz, 1996; Katz and Steinmetz, 1997) и тормозящие паттерны активности при ANT (Green и Steinmetz, 2005).
В одном исследовании регистрации, в котором было показано, что отдельные клетки Пуркинье расположены в области, контролирующей моргание, и получают входные сигналы восходящих волокон при УЗИ, были обнаружены только тормозные реакции. В недавнем исследовании клеток Пуркинье с аналогичными характеристиками, за которым наблюдали в течение более пятнадцати часов, было обнаружено, что повторные предъявления CS и УЗИ вызывали постепенное развитие паузы в активации клеток Пуркинье. Этот ответ на паузу, называемый CR клеток Пуркинье, также был получен, когда прямая стимуляция мшистых волокон использовалась в качестве CS и прямая стимуляция лазающих волокон в качестве США. Непарные презентации КС и УЗ вызывали угасание CR клеток Пуркинье. Когда парные презентации были вновь введены после вымирания, CR клеток Пуркинье быстро появились снова, отражая феномен «сбережения», продемонстрированный на поведенческом уровне. CR клеток Пуркинье также были адаптивно синхронизированы.

Контроль обучения с обратной связью

Было показано, что глубокие ядра мозжечка ингибируют нижнюю оливу, и это ингибирование, вероятно, выполняет функцию контроля отрицательной обратной связи. По мере обучения олива становится заторможенной, и было показано, что это торможение 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 угасание. Записи клеток Пуркинье показывают, что олива находится в подавленном состоянии во время CR клеток Пуркинье.

Краткое содержание

В совокупности результаты исследований повреждений, инактивации и нейронной регистрации, по-видимому, демонстрируют, что кора мозжечка не важна для базового обучения или удержания CR моргания, но что значительный вклад коры лежит в основе нормального обучения.

Синаптические механизмы, лежащие в основе EBC

Параллельное волокно – синапс клеток Пуркинье.

долговременная депрессия Предполагается, что (LTD) в синапсе PF-PC имеет значительные функциональные последствия для обучения поведенческому CR при EBC (Ito, 1984). Например, в результате обучения клетки INP разряжаются перед выполнением CR и срабатывают с увеличением частоты ответа, что 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 ингибируют глубокие ядерные клетки. Следовательно, опосредованное LTD снижение активности PC в соответствующий момент в течение интервала CS-US может освободить INP от тонического торможения и позволить выполнить CR. Увеличение активности ПК может иметь противоположный эффект, запрещая или ограничивая выполнение CR. Было высказано предположение, что CR генерируются INP в результате освобождения от ингибирования PC (т.е. Perrett et al., 1993).

См. также

• Классическое кондиционирование
• Двигательное обучение
• Вестибулоокулярный рефлекс