Кондиционирование моргания - Eyeblink conditioning
Кондиционирование моргания ( EBC ) - это форма классического кондиционирования , которая широко использовалась для изучения нервных структур и механизмов, лежащих в основе обучения и памяти . Процедура относительно проста и обычно состоит из сопряжения слухового или визуального стимула (на условный раздражителе (CS)) с глазом моргнуть -eliciting безусловного раздражителя (США) (например , мягкое облачко воздуха к роговице или слабый удар). Наивные организмы сначала производят рефлексивную безусловную реакцию (UR) (например, мигание или расширение мигательной перепонки), которая следует за началом УЗИ. После многих пар CS-US формируется ассоциация, так что выученное моргание или условный ответ (CR) возникает и предшествует началу US. Масштабы обучения обычно оцениваются по проценту всех парных испытаний CS-US, которые привели к полному ответу. В оптимальных условиях хорошо обученные животные производят высокий процент CR (> 90%). Необходимые условия и физиологические механизмы, которые управляют обучением CR методом моргания, были изучены на многих видах млекопитающих , 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 классической обусловленности . Форвардное кондиционирование описывает формат представления, в котором CS во времени опережает США. То есть, с точки зрения объекта исследования, испытание США зависит от того, только что испытал CS. EBC обычно, но не всегда, проводится таким образом. Другие непредвиденные обстоятельства стимула включают обратное обусловливание , при котором УЗ предшествует КС, и одновременное обусловливание , в котором КС и УС представлены одновременно. В любом случае время между началом CS и началом US является межстимульным интервалом (ISI). Животных обычно тренируют с более коротким межвидовым интервалом, чем у людей, что может затруднить межвидовые сравнения.
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. На трассе EBC CS предшествует US, и между смещением CS и началом US есть период без стимула (интервал трассировки). В то время как обе эти процедуры требуют мозжечка , процедура трассировки также требует гиппокампа и медиальной префронтальной коры.
Нейронная схема
Мигающий рефлекс
Когда УЗИ доставляется на роговицу глаза, сенсорная информация переносится к ядру тройничного нерва и передается прямо и косвенно (через ретикулярную формацию ) в дополнительные отводящие и отводящие 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) активности orbicularis oculi мышцы , которая контролирует закрытие век, считается наиболее заметным и чувствительным компонентом моргания (Lavond et al., 1990) и, таким образом, является наиболее распространенной поведенческой зависимой переменной в исследования EBC.
Путь в США
Ядро тройничного нерва также посылает эфферентные проекции на нижнюю оливу (IO), и это представляет собой УЗ-путь для EBC. Критической областью IO для кондиционирования глазного моргания является дорсальная добавочная олива (Brodal, 1981), и лазящие волокна (CF) из этой области отправляют информацию о США в мозжечок (Brodal, Walberg & Hoddevik, 1975; Thompson, 1989). . Лазающие волокна в конечном итоге проецируются как в глубокие ядра мозжечка, так и в клетки Пуркинье (ПК) в коре мозжечка .
Путь CS
Эти ядра Понцианских (PN) могут поддерживать различные методы CS (слуховой тон, свет и т.д.) для EBC , поскольку они получают проекции от слухового, зрительного, somatasensory и системы ассоциации (Glickstein и др, 1980;. Бродали, 1981; Schmahmann & Пандья, 1989; 1991; 1993). Когда CS является тональным, слуховая информация поступает через ядра улитки (Steinmetz & Sengelaub, 1992). PN дает начало аксонам мшистых волокон (MF), которые несут информацию, относящуюся к CS (Steinmetz et al., 1987; Lewis et al., 1987; Thompson et al., 1997), к мозжечку через среднюю ножку мозжечка и заканчиваются. как в ядрах мозжечка, так и в гранулярных клетках (GR) коры мозжечка (Steinmetz & Sengelaub, 1992). Гранулярные клетки дают начало аксонам параллельных волокон (PF), которые синапсируют с ПК.
CS-US конвергенция в мозжечке
Двумя участками конвергенции CS-US мозжечка являются: 1) клетки глубинной ядерной области мозжечка и 2) ПК коры. В дополнение к получению сходящегося входа CS и US через PN и IO, соответственно, клетки ядер мозжечка получают GABA -ergic ингибирующий вход 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 моторный выходной компонент рефлексивного моргания глаза. 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 CRs. Некоторые ученые думают, что вставленное ядро является критически важным местом для обучения, сохранения и выполнения обусловливающей реакции моргания.
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). . Наконец, использование поражений каиновой кислотой , которые разрушают тела нейрональных клеток и запасные проходящие волокна, предоставило 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, ипсилатерального по отношению к условному глазу. Поражение этой области INP приводит к невозможности приобретения CRs морганием 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 для того, 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 мускимола или лидокаина . Эти методы выгодны прежде всего потому, что экспериментатор может включать и выключать нейтральную ткань как таковую . 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 нейронной активности из кроличьего INP во время кондиционирования глазного моргания была возможна с помощью хронических электродных имплантатов и выявила популяцию клеток, которые разряжаются до инициирования выученного CR-моргания и запускаются по схеме повышенной частоты ответа, которая предсказывала и смоделировали временную форму поведенческой CR (McCormick et al., 1981; 1982; 1983; Thompson, 1983; 1986; Foy et al., 1984; McCormick & Thompson, 1984a; b; Berthier & Moore, 1990; Gould & Steinmetz, 1996). Сходные результаты были получены на 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 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.
Важные сайты для последующего обучения
Альтернативные участки синаптической пластичности, критичные для EBC, существуют ниже мозжечка. Некоторые предложенные локусы включают красное ядро (Tsukahara, Oda, and 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, критические 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 ( 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 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, чтобы достичь критерия обучения. Значительные проценты CR были в конечном итоге достигнуты животными с кортикальными повреждениями, но CR были низкими по амплитуде и плохо рассчитывались по времени. Наконец, большие поражения коры мозжечка после обучения не отменяют усвоенные CR (Lavond et al., 1987). Общим фактором во всех этих исследованиях корковой абляции было то, что части коры были сохранены; что позволяет предположить, что другие области коры компенсируют потерю ткани.
PCD мыши
Классическое кондиционирование линии мутантных мышей с дефицитом клеток Пуркинье помогло определить степень, в которой сохраненные области в коре 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 методом 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, Крупа (1993) инактивировал дольку HVI с помощью агониста рецептора ГАМК А Мусцимола и обнаружил значительный дефицит усвоения, но животные в конечном итоге научились. Кларк и др. (1997) воспроизвели эти результаты с помощью охлаждающего зонда в HVI. Атвелл, Рахман и Йео (2001) обнаружили подобное нарушение при инактивации HVI. Они вливали антагонист рецептора AMPA CNQX в HVI во время обучения и обнаружили, что кролики , инфицированные CNQX, не усваивали CR по морганию. Однако вливания 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, 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, Gormezano, 1964; Smith, Coleman, and Gormezano, 1969)].
Исследования нейронной записи
Электрофизиологические исследования коры мозжечка помогли лучше понять роль, которую ПК играют в процессе обучения CR с помощью моргания. Маккормик и Томпсон (1984b) записали активность ПК во время тренировки моргания глаз и обнаружили, что популяции клеток, которые разряжаются в соответствии с паттерном, очевидно связаны с поведенческим CR, в то время как другие популяции PC разряжаются по паттернам, которые совпадали 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 подобная связанная со стимулом и ответом активность ПК была обнаружена у ANT (Green and Steinmetz, 2005). Наконец, электрофизиологические записи ПК при HVI и ANT выявили разницу в ответах ПК в целом популяции. Большинство ПК проявляют возбуждающие паттерны активности во время кондиционирования моргания при HVI (Berthier and Moore, 1986; Gould and Steinmetz, 1996; Katz and Steinmetz, 1997), а также паттерны ингибирующей активности при ANT (Green and Steinmetz, 2005).
В исследовании с однократной записью, где было показано, что отдельные клетки Пуркинье расположены в области, контролирующей моргание и принимающей входное волокно в УЗИ, были обнаружены только тормозящие реакции. 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. 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.
Контроль за обучением с обратной связью
Было показано, что глубокие ядра мозжечка подавляют нижнюю оливу, и это подавление, вероятно, служит функции контроля отрицательной обратной связи. 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 исчезновение. Записи клеток Пуркинье показывают, что оливковое масло подавлено во время CR клетки Пуркинье.
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
Предполагается, что долговременная депрессия (LTD) в синапсе PF-PC 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 ингибирования PC (т.е. Perrett et al., 1993).