Ögonblinkkonditionering
Ögonblinkkonditionering ( EBC ) är en form av klassisk konditionering som har använts flitigt för att studera neurala strukturer och mekanismer som ligger till grund för inlärning och minne . Proceduren är relativt enkel och består vanligtvis av att para ihop en auditiv eller visuell stimulans (den betingade stimulansen (CS)) med en ögonblink -framkallande obetingad stimulus (US) (t.ex. en mild luftbloss till hornhinnan eller en mild chock). Naiva organismer producerar initialt ett reflexivt, ovillkorat svar (UR) (t.ex. blinkning eller förlängning av nictitating membran) som följer UL-debut. Efter många CS-US-parningar bildas en association så att en inlärd blinkning, eller betingad respons (CR), inträffar och föregår US-debut. Omfattningen av inlärningen mäts i allmänhet av procentandelen av alla parade CS-US- försök som resulterar i en CR. Under optimala förhållanden producerar vältränade djur en hög andel CR (> 90%). De villkor som krävs för, och de fysiologiska mekanismerna som styr, inlärning av ögonblink CR har studerats över många däggdjursarter , inklusive möss, råttor, marsvin, kaniner, illrar, katter och människor. Historiskt sett har kaniner varit de mest populära forskningsämnena.
CS-US beredskap
Ordningen i vilken stimuli presenteras är en viktig faktor i alla former av klassisk betingning . Forward conditioning beskriver ett presentationsformat där CS föregår USA i tid. Det vill säga, ur forskningsämnets perspektiv, är upplevelsen av USA beroende av att man just har upplevt CS. EBC utförs vanligtvis, men inte alltid, på detta sätt. Andra stimuluskontingenser inkluderar bakåtkonditionering , där US kommer före CS, och samtidig konditionering, där CS och US presenteras samtidigt. I vilket fall som helst är tiden mellan CS-debut och US-debut interstimulusintervallet ( ISI). Djur tränas vanligtvis med kortare ISI än människor, vilket kan göra jämförelser mellan arter svåra.
Procedurerna för fördröjning och spårning
Vid fördröjd EBC föregår CS-debuten USA-debuten och de två stimuli överlappar och samterminerar, med stimuli som konvergerar i cerebellar cortex och interpositus nucleus. I spår-EBC föregår CS USA och det finns en stimulusfri period (spårintervall) mellan CS-offset och US-start. Även om båda dessa procedurer kräver lillhjärnan , kräver spårningsproceduren även hippocampus och mediala prefrontala cortex.
Neurala kretsar
Blinkreflexen
När en UL levereras till hornhinnan i ögat, förs sensorisk information till trigeminuskärnan och vidarebefordras både direkt och indirekt (via retikulär formation ) till accessoriska abducens och abducens motorkärnor (se Kranialnervens kärna ). Output från dessa kärnor styr olika ögonmuskler som arbetar synergistiskt för att producera ett obetingat blinkningssvar på hornhinnestimulering (recensat, Christian & Thompson, 2003). Elektromyogramaktivitet (EMG) av orbicularis oculi-muskeln , som kontrollerar ögonlocksstängning, anses vara den mest framträdande och känsliga komponenten av blinkning (Lavond et al., 1990) och är därför den vanligaste beteendemässigt härledda beroende variabeln i studier av EBC.
USA:s väg
Trigeminuskärnan skickar också efferenta projektioner till den inferior oliven (IO), och detta representerar USA:s väg för EBC. Den kritiska regionen av IO för ögonblinkkonditionering är den dorsala tillbehöroliven (Brodal, 1981), och klättringsfibrer (CF) från denna region skickar information om USA till cerebellum ( Brodal, Walberg & Hoddevik, 1975; Thompson, 1989) . Klätterfibrer skjuter slutligen ut till både de djupa cerebellära kärnorna och Purkinje-cellerna (PC) i cerebellarbarken .
CS-vägen
Pontinkärnorna (PN) kan stödja olika CS-modaliteter (auditiv ton, ljus, etc.) för EBC eftersom de tar emot projektioner från auditiva, visuella, somatosensoriska och associationssystem (Glickstein et al., 1980; Brodal, 1981; Schmahmann & Schmahmann & Pandya, 1989; 1991; 1993). När CS är en ton mottas auditiv information via cochleakärnorna ( Steinmetz & Sengelaub, 1992). PN ger upphov till mossiga fibrer (MF) axoner som bär CS-relaterad information (Steinmetz et al., 1987; Lewis et al., 1987; Thompson et al., 1997) till lillhjärnan via den mellersta cerebellära pedunkeln och avslutas i både de cerebellära kärnorna och vid granulceller (GR) i cerebellar cortex (Steinmetz & Sengelaub, 1992). Granulceller ger upphov till parallella fibrer (PF) axoner som synapsar på datorer.
CS-US konvergens i lillhjärnan
Två cerebellära ställen för CS-US-konvergens är 1) celler i den djupa nukleära regionen i lillhjärnan och 2) PCs i cortex. Förutom att ta emot konvergerande CS- och US-inmatning via PN respektive IO, tar celler i cerebellära kärnor emot GABA -ergisk hämmande input från datorer i cerebellarbarken. Utdata från interposituskärnan inkluderar projektioner till den röda kärnan , och den röda kärnan skickar projektioner till ansikts- och abducenskärnorna. Dessa kärnor försörjer den motoriska utgångskomponenten av den reflexiva ögonblinkningen. Därför, förutom att vara en plats för stimuluskonvergens, är de djupa kärnorna också lillhjärnans utgångsstruktur.
Kritisk roll för den mellanliggande kärnan
Professor Richard F. Thompson och hans kollegor identifierade initialt lillhjärnan som den väsentliga strukturen för att lära sig och utföra ögonblinkande CRs. Vissa forskare tror att den inskjutna kärnan är den plats som är avgörande för att lära sig, behålla och utföra den konditionerande blinkningsresponsen.
Lesionsstudier
De första bevisen för lillhjärnans roll i EBC kom från McCormick et al. (1981). De fann att en ensidig cerebellär lesion som inkluderade både cortex och djupa kärnor permanent avskaffade CRs. I efterföljande studier fastställdes det att lesioner i den laterala interpositus och mediala dentata kärnorna var tillräckliga för att förhindra förvärv av CR hos naiva djur (Lincoln et al., 1982) och avskaffade CR hos vältränade djur (McCormick & Thompson, 1984) . Slutligen gav användningen av kainsyralesioner , som förstör neuronala cellkroppar och skonar passerande fibrer, bevis för en mycket lokaliserad region av cerebellära kärnceller som är nödvändiga för att lära sig och utföra CRs (Lavond et al., 1985). Populationen av celler som är kritiska för EBC verkar vara begränsad till ett ~ 1 mm3 område av dorsolateral främre INP ipsilateralt till det konditionerade ögat. Lesioner i detta område av INP resulterar i en oförmåga att förvärva ögonblinkande CR hos naiva djur. Dessutom är varaktigheten av den lokaliserade lesionseffekten anmärkningsvärd. Hos vältränade djur återvinns inte CRs som avskaffats till följd av lesion, även efter omfattande träning som sträcker sig över 8 månader (Steinmetz et al., 1992). Dessa resultat visar att en mycket lokaliserad region av lillhjärnan måste vara intakt för att CR-inlärning ska ske i EBC.
Reversibla inaktiveringsstudier
Reversibel inaktivering av INP har gett ytterligare bevis för dess roll i EC. Metoder som används för att tillfälligt inaktivera nervvävnad inkluderar användning av en kylsond (< 10 °C) och lokal infusion av Muscimol eller Lidocaine . Dessa metoder är fördelaktiga främst eftersom försöksledaren i huvudsak kan slå på och av neutral vävnad i sig . Effekten av vart och ett av dessa inaktiveringsprotokoll på CR-inlärning och utförande har testats i hela lillhjärnan och associerade hjärnstammsstrukturer. När den tillämpas på INP, förhindrar tillfällig inaktivering helt inlärning av CR hos naiva djur, och inlärning sker normalt under träning efter inaktivering (Clark et al., 1992; Krupa et al., 1993; Nordholm et al., 1993; Krupa & Thompson, 1997). Dessutom resulterar INP-inaktivering hos vältränade djur i en fullständig depression av betingad respons, som återgår till platånivåer när INP kommer tillbaka online (Clark et al., 1992).
Neural inspelningsstudier
Registreringar av neuronaktivitet med flera enheter från kanin-INP under ögonblinkkonditionering har varit möjliga med kroniska elektrodimplantat , och har avslöjat en population av celler som urladdas före initieringen av den inlärda ögonblink-CR och brand i ett mönster av ökad svarsfrekvens som förutspådde och modellerade den tidsmässiga formen av beteende-CR (McCormick et al., 1981; 1982; 1983; Thompson, 1983; 1986; Foy et al., 1984; McCormick & Thompson, 1984a; b; Berthier & Moore, 1990; Gould & Moore, 1990; Steinmetz, 1996). Liknande resultat hittades i rått-INP (Freeman & Nicholson, 2000; Stanton & Freemen, 2000; Rogers et al., 2001), vilket visar att underliggande kretsar för denna form av inlärning kan bevaras över arter. Även om prover av singelenhetsaktivitet från INP och omgivande kärnor har avslöjat en mängd svarsmönster under EBC (Tracy, 1995), ökar många av cellerna i den främre dorsolaterala INP signifikant sin avfyringshastighet i ett exakt tidsmönster som är försenat från CS-debut och föregår CR-debut (Foy et al., 1984; Berthier & Moore, 1990). Detta svarsmönster indikerar en struktur som är kapabel att koda inlärning och/eller utföra inlärda beteendesvar.
Kritiska platser för lärande nedströms
Alternativa platser av synaptisk plasticitet som är kritiska för EBC har antagits existera nedströms från lillhjärnan. Några föreslagna loci inkluderar den röda kärnan (Tsukahara, Oda och Notsu, 1981), trigeminuskärnan och associerade strukturer (Desmond & Moore, 1983) eller ansiktsmotorkärnan (Woody et al., 1974 ) . Alla dessa strukturer har uteslutits som potentiella platser för plasticitet som är avgörande för att lära sig ögonblink-CR (Krupa, Thompson och Thompson, 1993; Clark och Lavond, 1996; Krupa, Weng och Thompson, 1996).
Sammanfattning
Sammantaget tycks resultat från studier av lesioner, inaktivering och neurala registreringar visa att den dorsolaterala delen av den främre interposituskärnan (INP) i cerebellum, ipsilateralt till det tränade ögat, är en viktig plats för CR-förvärv och uttryck i EBC ( Lincoln et al., 1982; Lavond et al., 1984a,b). Nyligen genomförda studier (Nilaweera et al., 2006) fann dock att ett tillfälligt block av cerebellär produktion förhindrade normalt förvärv av betingade svar. Författarna drog slutsatsen att denna form av associativ inlärning i kaninögonblinksystemet kräver inlärning utanför cerebellären och/eller cerebellär inlärning som beror på hur cerebellära återkopplingsslingor fungerar.
Roll av cerebellar cortex
Två områden av cortex som är kända för att vara involverade i ögonblinkkonditionering är lobule HVI (Lavond et al., 1987; Lavond och Steinmetz, 1989; Yeo och Hardiman, 1992) och den främre loben ((ANT) Garcia, Steele och Mauk 1999). Vikten av cerebellar cortex i EBC, i förhållande till INP, är en fråga om debatt i det vetenskapliga samfundet.
Lesionsstudier
Flera studier har försökt bedöma rollen av cerebellar cortex i eyeblink CR-inlärning, och tidiga studier fokuserade på stora aspirationsskador av cerebellar cortex. Lavond och Steinmetz (1989) avlägsnade helt lobulerna HVI/HVIIa och betydande delar av ANT, skonade INP och fann betydande förvärvsunderskott. Jämfört med kontroller tog skadade djur sju gånger längre tid att nå inlärningskriteriet. Signifikanta procentandelar av CRs nåddes så småningom av de kortikalt skadade djuren, men CRs var låga i amplitud och dåligt tidsinställda. Slutligen, stora lesioner av cerebellar cortex efter inlärning avskaffar inte inlärda CRs (Lavond et al., 1987). En gemensam faktor i alla dessa kortikala ablationsstudier var att delar av cortex skonades; vilket gör det möjligt att anta att andra områden av cortex kompenserade för förlusten av vävnad.
PCd - musen
Klassisk konditionering av en mutant musstam som saknar Purkinje-celler hjälpte till att bestämma i vilken utsträckning besparade regioner i cerebellarbarken kompenserade för skadade regioner i studierna som nämns ovan. Dessa möss föds med datorer som dör efter cirka 3 veckors liv. Eftersom datorer är den enda utgångsneuronen i cortex, skadar denna modell effektivt hela cerebellar cortex. Resultaten av konditioneringen liknade de kortikala aspirationsmössen. Det tog betydligt längre tid för möss att producera CR, och timingen och förstärkningen av svaret var förvrängd (Chen et al., 1996). Därför, även om inlärningsunderskott i ögonblink CR är associerade med cerebellar cortex lesioner, verkar strukturen i slutändan inte vara avgörande för CR-inlärning eller retention.
Reversibla inaktiveringsstudier
Resultaten från inaktiveringsstudier av cerebellär kortikala liknar de som rapporterats för lesionsstudier. Till exempel inaktiverade Krupa (1993) lobul HVI med GABAA receptoragonisten . - Muscimol och fann betydande förvärvsunderskott, men djuren lärde sig så småningom Clark et al. (1997) replikerade dessa resultat med en kylsond i HVI. Attwell, Rahman och Yeo (2001) upptäckte liknande störningar med HVI-inaktivering. De infunderade AMPA-receptorantagonisten CNQX i HVI under förvärvsträning och fann att CNQX -infunderade kaniner inte lärde sig ögonblink-CR. CNQX-infusioner efter förvärvet påverkade dock inte retentionen. Dessa resultat är förbryllande, med tanke på att djuren till slut lärde sig ögonblink-CR i alla andra cerebellära kortikala lesioner och inaktiveringsstudier. En anledning till att denna effekt är så stark kan vara att Attwell et al., (2001) tränade djur i endast 4 dagar vid en ISI som ligger utanför ett intervall som är känt för att vara optimalt för inlärning [150–300 ms är en optimal CS- USA:s intervall och omfattningen av inlärningen minskar när ISI ökar (Schneiderman och Gormezano, 1964; Smith, Coleman och Gormezano, 1969)].
Neural inspelningsstudier
Elektrofysiologiska inspelningsstudier av cerebellar cortex har hjälpt till att bättre förstå den roll som datorer spelar i inlärningsprocessen för ögonblink CR. McCormick och Thompson (1984b) registrerade PC-aktivitet under ögonblinkträning och fann cellpopulationer som släpptes ut i ett mönster som tydligen relaterade till beteende-CR, medan andra PC-populationer släpptes ut i mönster som sammanföll med antingen presentationen av CS eller US. Liknande resultat hittades av Berthier och Moore (1986) med en enhetsregistrering av datorer i lobule HVI. De fann att populationer av neuroner eldar i relation till olika aspekter av ögonblinkträning, inklusive CS och USA-presentation och CR-utförande. (Berthier och Moore, 1986; Gould och Steinmetz, 1996). Nyligen har liknande stimulus- och responsrelaterad PC-aktivitet hittats i ANT (Green och Steinmetz, 2005). Slutligen har elektrofysiologiska inspelningar av PC:er i HVI och ANT avslöjat en skillnad i de totala populationssvaren hos PC:er. Majoriteten av datorer visar excitatoriska aktivitetsmönster under ögonblinkkonditionering i HVI (Berthier och Moore, 1986; Gould och Steinmetz, 1996; Katz och Steinmetz, 1997) och hämmande aktivitetsmönster i ANT (Green och Steinmetz, 2005). I en inspelningsstudie med en enda enhet där de individuella Purkinje-cellerna visades vara belägna i området som kontrollerade blinkningar och ta emot klättringsfiberinmatning på amerikanska presentationer, hittades endast hämmande svar. I en nyligen genomförd studie av liknande karakteriserade Purkinje-celler som följdes i upp till mer än femton timmar, fann man att upprepade presentationer av CS och US orsakade den gradvisa utvecklingen av en paus i Purkinje-cellavfyrningen. Detta paussvar, kallat Purkinje cell CR, erhölls också när direkt mossfiberstimulering användes som CS och direkt klättringsfiberstimulering som USA. Oparade presentationer av CS och US orsakade utrotning av Purkinje-cellen CR. När parade presentationer återinfördes efter utrotning dök Purkinje-cell-CRs snabbt upp igen, vilket speglade "besparings"-fenomenet som visades på beteendenivån. Purkinje cell CRs var också adaptivt tidsbestämda.
Feedbackkontroll av lärande
De djupa cerebellära kärnorna har visat sig hämma den sämre oliven och denna hämning tjänar förmodligen en negativ återkopplingskontrollfunktion. Allt eftersom inlärningen fortskrider hämmas oliven och det har visat sig att denna hämning har tidsmässiga egenskaper som gör den idealisk att fungera som en återkopplingssignal för att kontrollera inlärningen. Att stimulera denna väg under parade CS - US-presentationer orsakar utrotning. Inspelningar från Purkinje-celler visar att oliven är nedtryckt under Purkinje-cellens CR.
Sammanfattning
Sammantaget tycks resultat från studier av lesioner, inaktivering och neurala registreringar visa att cerebellarbarken inte är avgörande för grundläggande ögonblink-CR-inlärning eller retention, utan att betydande bidrag från cortex ligger till grund för normal inlärning.
Synaptiska mekanismer bakom EBC
Den parallella fibern – Purkinje cellsynaps
Långtidsdepression (LTD) vid PF-PC-synapsen antas ha betydande funktionella konsekvenser för att lära sig beteendemässig CR i EBC (Ito, 1984). Till exempel, som ett resultat av träning, urladdas INP-celler före CR-utförande och avfyrar i ett mönster av ökad svarsfrekvens som förutsäger den tidsmässiga formen av beteende-CR (McCormick & Thompson, 1984). Detta aktivitetsmönster indikerar tydligt att INP är kapabel att generera ett betingat svar. Purkinje-celler i cerebellar cortex hämmar toniskt djupa kärnceller. Därför kan en LTD-medierad minskning av PC-aktivitet vid lämplig tidpunkt under ett CS-US-intervall frigöra INP från tonisk hämning och möjliggöra exekvering av en CR. En ökning av PC-aktivitet kan ha motsatt effekt, förbjuda eller begränsa CR-exekvering. Det har antagits att CR genereras av INP som ett resultat av frisättning från PC-hämning (dvs Perrett et al., 1993).