Условие моргания ( EBC ) — это форма классического обусловливания , которая широко использовалась для изучения нейронных структур и механизмов, лежащих в основе обучения и памяти . Процедура относительно проста и обычно состоит из сопряжения слухового или зрительного стимула ( условного стимула (CS)) с безусловным стимулом, вызывающим моргание (US) (например, легкий поток воздуха в роговицу или легкий шок). Наивные организмы изначально производят рефлекторную безусловную реакцию (UR) (например, моргание или расширение мигательной перепонки), которая следует за началом US. После многих пар CS-US формируется ассоциация таким образом, что выученное моргание или условная реакция (CR) происходит и предшествует началу US. [1] Величина обучения обычно оценивается по проценту всех парных испытаний CS-US , которые приводят к CR. В оптимальных условиях хорошо обученные животные производят высокий процент CR (> 90%). Необходимые условия и физиологические механизмы, управляющие обучением CR с помощью моргания, изучались на многих видах млекопитающих , включая мышей, крыс, морских свинок, кроликов, хорьков, кошек и людей. Исторически кролики были самыми популярными объектами исследований.
Порядок, в котором предъявляются стимулы, является важным фактором во всех формах классического обусловливания . Прямое обусловливание описывает формат представления, в котором CS предшествует US по времени. То есть, с точки зрения субъекта исследования, восприятие US зависит от того, что он только что испытал CS. EBC обычно, но не всегда, проводится таким образом. Другие обусловленности стимулов включают обратное обусловливание , в котором US предшествует CS, и одновременное обусловливание, в котором CS и US предъявляются одновременно. В любом случае, время между началом CS и началом US является межстимульным интервалом (ISI). Животные обычно обучаются с более коротким ISI, чем люди, что может затруднить межвидовые сравнения. [2]
В отсроченном EBC начало CS предшествует началу US, и два стимула перекрываются и совпадают, при этом стимулы сходятся в коре мозжечка и промежуточном ядре. [3] В следовом EBC CS предшествует US, и между окончанием CS и началом US существует период без стимула (интервал следа). В то время как обе эти процедуры требуют мозжечка , процедура следа также требует гиппокампа и медиальной префронтальной коры. [4] [5]
Когда УЗ доставляется к роговице глаза, сенсорная информация переносится в ядро тройничного нерва и передается как напрямую, так и косвенно (через ретикулярную формацию ) в двигательные ядра отводящего и вспомогательного отводящего нерва (см. Ядро черепно-мозгового нерва ). Выход из этих ядер контролирует различные глазные мышцы, которые работают синергически, чтобы производить безусловную реакцию моргания на стимуляцию роговицы (обзор Christian & Thompson, 2003). Электромиограмма (ЭМГ) активности круговой мышцы глаза , которая контролирует закрытие века, считается наиболее заметным и чувствительным компонентом моргания (Lavond et al., 1990) и, таким образом, является наиболее распространенной поведенчески-выведенной зависимой переменной в исследованиях EBC.
Ядро тройничного нерва также посылает эфферентные проекции в нижнюю оливу (IO), и это представляет собой путь US для EBC. Критической областью IO для обусловливания моргания является дорсальная добавочная олива (Brodal, 1981), а лазающие волокна (CF) из этой области посылают информацию о US в мозжечок (Brodal, Walberg & Hoddevik, 1975; Thompson, 1989). Лазающие волокна в конечном итоге проецируются как в глубокие ядра мозжечка , так и в клетки Пуркинье (PC) в коре мозжечка .
Ядра моста ( PN) могут поддерживать различные модальности 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 тоном, слуховая информация принимается через кохлеарные ядра (Steinmetz & Sengelaub, 1992). PN дают начало аксонам моховидных волокон (MF) , 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 (GR) коры мозжечка (Steinmetz & Sengelaub, 1992). Гранулярные клетки дают начало аксонам параллельных волокон (PF), которые синапсируют на PC.
Два мозжечковых участка конвергенции CS-US — это 1) клетки глубокой ядерной области мозжечка и 2) ПК коры. [6] В дополнение к получению конвергентного CS и US входа через PN и IO соответственно, клетки ядер мозжечка получают ГАМК -ергический ингибирующий вход от ПК коры мозжечка. Выход из интерпозитивного ядра включает проекции в красное ядро , а красное ядро посылает проекции в лицевое и отводящее ядра. Эти ядра обеспечивают двигательный выходной компонент рефлекторного моргания. Таким образом, в дополнение к тому, что они являются местом конвергенции стимулов, глубокие ядра также являются выходной структурой мозжечка.
Дэвид А. Маккормик , будучи аспирантом профессора Ричарда Ф. Томпсона, изначально определил мозжечок как основную структуру для обучения и выполнения CR моргания. Некоторые ученые считают, что промежуточное ядро является местом, критически важным для обучения, сохранения и выполнения условного ответа моргания.
Первые доказательства роли мозжечка в EBC были получены от McCormick et al. (1981). Они обнаружили, что одностороннее поражение мозжечка, которое включало как кору, так и глубокие ядра, навсегда отменяло CR. В последующих исследованиях было установлено, что поражения латерального интерпозитного и медиального зубчатого ядер были достаточными для предотвращения приобретения CR у наивных животных (Lincoln et al., 1982) и отменяли CR у хорошо тренированных животных (McCormick & Thompson, 1984). [7] Наконец, использование поражений каиновой кислотой , которые разрушают тела нейронных клеток и сохраняют проходящие волокна, предоставило доказательства 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 областью ~ 1 мм3 дорсолатеральной передней INP, ипсилатеральной по отношению к обусловленному глазу. Повреждения этой области INP приводят к неспособности приобретать CR моргания у наивных животных. Кроме того, постоянство эффекта локализованного повреждения является примечательным. У хорошо обученных животных CR, отмененные в результате повреждения, не восстанавливаются даже после интенсивного обучения, которое длится более 8 месяцев (Steinmetz et al., 1992). Эти результаты показывают, что для того, чтобы обучение CR происходило в EBC, должна быть неповрежденной высоко локализованная область мозжечка.
Обратимая инактивация INP предоставила дополнительные доказательства его роли в EC. Методы, используемые для временной инактивации нервной ткани, включают использование охлаждающего зонда (< 10 °C) и локальное введение мусцимола или лидокаина . Эти методы имеют преимущество прежде всего потому, что экспериментатор может по существу включать и выключать нейтральную ткань, per se . Влияние каждого из этих протоколов инактивации на обучение и выполнение CR было проверено на всем протяжении мозжечка и связанных с ним структур ствола мозга. При применении к INP временная инактивация полностью предотвращает обучение CR у наивных животных, и обучение происходит нормально во время обучения после инактивации (Clark et al., 1992; Krupa et al., 1993; Nordholm et al., 1993; Krupa & Thompson, 1997). Кроме того, инактивация INP у хорошо обученных животных приводит к полной депрессии условной реакции, которая возвращается к уровню плато, когда INP снова включается (Clark et al., 1992).
Регистрация многоэлементной нейронной активности INP кролика во время условного моргания стала возможной с помощью хронических имплантированных электродов и выявила популяцию клеток, которые разряжаются до начала выученного CR моргания и активируются в паттерне повышенной частоты ответа, который предсказывал и моделировал временную форму поведенческого CR (McCormick et al., 1981; 1982; 1983; Thompson, 1983; 1986; Foy et al., 1984; McCormick & Thompson, 1984a; b; Berthier & Moore, 1990; Gould & Steinmetz, 1996). Похожие результаты были получены в крысином INP (Freeman & Nicholson, 2000; Stanton & Freemen, 2000; Rogers et al., 2001), что демонстрирует, что базовая схема для этой формы обучения может быть сохранена у разных видов. Хотя образцы активности отдельных единиц из INP и окружающих ядер выявили множество шаблонов ответов во время EBC (Tracy, 1995), многие из клеток в переднем дорсолатеральном INP значительно увеличивают свою частоту импульсов в точном временном шаблоне, который задерживается от начала CS и предшествует началу CR (Foy et al., 1984; Berthier & Moore, 1990). Этот шаблон реагирования указывает на структуру, которая способна кодировать обучение и/или выполнять усвоенные поведенческие реакции.
Альтернативные сайты синаптической пластичности, критические для EBC, были предложены ниже по течению от мозжечка. Некоторые предложенные локусы включают красное ядро (Tsukahara, Oda и Notsu, 1981), ядро тройничного нерва и связанные с ним структуры (Desmond и Moore, 1983) или двигательное ядро лица (Woody и др., 1974). Все эти структуры были исключены как потенциальные сайты пластичности, критические для обучения CR моргания (Krupa, Thompson и Thompson, 1993; Clark и Lavond, 1996; Krupa, Weng и Thompson, 1996).
В совокупности результаты исследований поражения, инактивации и нейронной регистрации, по-видимому, демонстрируют, что дорсолатеральная часть переднего промежуточного 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) показали, что временная блокировка мозжечкового выхода 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 мозжечковых петель обратной связи.
Две области коры, которые, как известно, участвуют в обусловливании моргания, — это долька HVI (Lavond et al., 1987; Lavond и Steinmetz, 1989; Yeo и 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.
Несколько исследований пытались оценить роль коры мозжечка в обучении CR морганиям, и ранние исследования были сосредоточены на крупных аспирационных поражениях коры мозжечка. Лавонд и Штайнмец (1989) полностью удалили дольки HVI/HVIIa и значительные части ANT, сохранив INP, и обнаружили значительные дефициты усвоения. По сравнению с контрольной группой, пораженным животным потребовалось в семь раз больше времени, чтобы достичь критерия обучения. Значительные проценты CR в конечном итоге были достигнуты животными с корковым поражением, но CR были низкоамплитудными и плохо синхронизированными. Наконец, крупные поражения коры мозжечка после обучения не отменяют усвоенные CR (Лавонд и др., 1987). Одним из общих факторов во всех этих исследованиях корковой абляции было то, что части коры были сохранены, что позволило предположить, что другие области коры компенсировали потерю ткани.
Классическое обусловливание мутантной линии мышей с дефицитом клеток Пуркинье помогло определить степень, в которой сохраненные области в коре мозжечка компенсировали поврежденные 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 повреждает всю кору мозжечка. Результаты обусловливания были аналогичны мышам с аспирацией коры. Мышам потребовалось значительно больше времени для создания CR, а время и усиление ответа были искажены (Chen et al., 1996). Таким образом, хотя дефицит обучения CR моргания связан с поражениями коры мозжечка, эта структура, по-видимому, в конечном счете не является существенной для обучения CR или сохранения.
Результаты исследований инактивации коры мозжечка аналогичны результатам, полученным для исследований поражений. Например, Крупа (1993) инактивировал дольку HVI с помощью агониста рецептора ГАМК А Мусцимола и обнаружил значительные дефициты усвоения, но животные в конечном итоге научились. Кларк и др. (1997) повторили эти результаты с помощью охлаждающего зонда в HVI. Аттвелл, Рахман и Йео (2001) обнаружили похожее нарушение при инактивации HVI. Они вводили антагонист рецептора AMPA CNQX в HVI во время обучения усвоению и обнаружили, что кролики, которым вводили CNQX, не выучили CR моргания. Однако инфузии CNQX после приобретения не повлияли на сохранение. Эти результаты озадачивают, учитывая, что животные в конечном итоге выучили CR моргания во всех других исследованиях повреждений и инактивации коры мозжечка. Одной из причин, по которой этот эффект настолько силен, может быть то, что Аттвелл и др. (2001) тренировали животных в течение всего 4 дней при ISI, которая находится за пределами диапазона, известного как оптимальный для обучения [оптимальный интервал CS-US составляет 150–300 мс, а величина обучения уменьшается по мере увеличения ISI (Шнейдерман и Гормезано, 1964; Смит, Коулман и Гормезано, 1969)].
Электрофизиологические исследования записи коры мозжечка помогли лучше понять роль, которую PC играют в процессе обучения морганию CR. Маккормик и Томпсон (1984b) записали активность PC во время обучения морганию и обнаружили популяции клеток, которые разряжались по схеме, очевидно, связанной с поведенческим CR, в то время как другие популяции PC разряжались по схеме, которая совпадала либо с предъявлением CS, либо US. Аналогичные результаты были получены Бертье и Муром (1986) с единичной записью PC в дольке HVI. Они обнаружили, что популяции нейронов срабатывают в связи с различными аспектами обучения морганию, включая предъявление CS и US и выполнение CR. (Бертье и Мур, 1986; Гулд и Штайнмец, 1996). Недавно аналогичная активность PC, связанная со стимулом и реакцией, была обнаружена в ANT (Грин и Штайнмец, 2005). Наконец, электрофизиологические записи PC в HVI и ANT выявили разницу в общих популяционных реакциях PC. Большинство PC демонстрируют возбуждающие паттерны активности во время условного моргания в HVI (Berthier и Moore, 1986; Gould и Steinmetz, 1996; Katz и Steinmetz, 1997) и ингибирующие паттерны активности в ANT (Green и Steinmetz, 2005).
В исследовании с единичной записью, где было показано, что отдельные клетки Пуркинье расположены в области, контролирующей моргания, и получают входные сигналы от лазающих волокон при предъявлении УЗ, были обнаружены только ингибирующие ответы. [8] В недавнем исследовании клеток Пуркинье с аналогичными характеристиками, которые наблюдались в течение более пятнадцати часов, было обнаружено, что повторные предъявления CS и УЗ вызывали постепенное развитие паузы в активации клеток Пуркинье. [9] Эта пауза реакции, называемая CR клеток Пуркинье, также была получена, когда прямая стимуляция мшистых волокон использовалась в качестве CS и прямая стимуляция лазающих волокон в качестве US. Непарные предъявления CS и US вызывали угасание CR клеток Пуркинье. Когда парные предъявления были повторно введены после угасания, CR клеток Пуркинье быстро появлялись снова, отражая феномен «сбережений», продемонстрированный на поведенческом уровне. CR клеток Пуркинье также были адаптивно синхронизированы.
Было показано, что глубокие ядра мозжечка ингибируют нижнюю оливу, и это ингибирование, вероятно, выполняет функцию отрицательной обратной связи. [10] По мере обучения олива ингибируется, и было показано, что это ингибирование имеет временные свойства, что делает его идеально подходящим для использования в качестве сигнала обратной связи для управления обучением. Стимуляция этого пути во время парных предъявлений CS-US вызывает угасание. Записи с клеток Пуркинье показывают, что олива угнетается во время CR клеток Пуркинье. [11]
В совокупности результаты исследований повреждений, инактивации и нейронной регистрации, по-видимому, демонстрируют, что кора мозжечка не является необходимой для базового обучения или сохранения мимического восприятия, но что значительный вклад коры лежит в основе нормального обучения.
Предполагается, что длительная 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 перед выполнением CR и активируются по схеме повышенной частоты ответа, которая предсказывает временную форму поведенческого CR (McCormick & Thompson, 1984). Эта схема 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 соответствующее время в течение интервала CS-US может освободить INP от тонического торможения и позволить выполнить CR. Увеличение активности PC может иметь противоположный эффект, запрещая или ограничивая выполнение CR. Была выдвинута гипотеза, что CR генерируются INP в результате освобождения от ингибирования PC (например, Perrett et al., 1993).