Pavlovian eye blink conditioning (EBC) and learning-related activity in primary sensory neocortex

Abstract

Der Lernerfolg bei EBC (Engl. Eyeblink conditioning) – ein Lidschluss evoziert durch einen vorher neutralen sensorischen Stimulus – wird klassischerweise dem unbewussten, Kleinhirn-abhängigen, impliziten/prozeduralen Gedächtnis zugeordnet, und kann ohne Beiträge des Großhirns erlernt werden. Menschen können jedoch die EBC Assoziation sprachlich beschreiben, und die daraus resultierenden bewussten Vorhersagen sind unabhängig vom prozeduralen Lernen, was die Überlegung aufwirft, dass selbst die einfachste Variante der Reflexkonditionierung die Großhirnrinde einbeziehen könnte, obwohl viele frühere Studien gezeigt haben, dass der prozedurale Teil des Lernens (d.h. das Erlernen der konditionierten Reaktionen, CRs) während Delayed-Conditioning (vielleicht die einfachste Form der klassischen Konditionierung) durch Blockade des Großhirns nicht beeinträchtigt wird (Oakley and Russell 1977; Mauk and Thompson 1987; Kronforst-Collins and Disterhoft 1998; Powell and Churchwell 2002). Es gibt zwei Unterformen von EBC: Delayed-Eyeblink-Conditioning (DEBC) und Trace-Eyeblink-Conditioning (TEBC). Bei DEBC folgt sich der unkonditionierte Stimulus (US) mit einer Verzögerung auf den konditionierten Stimulus (CS), überlappt zeitlich mit ihm und endet gleichzeitig mit diesem. Bei Trace-EyeblinkConditioning (TEBC) gibt es ein stimulusfreies Intervall zwischen dem CS und dem US, was die Bildung einer Gedächtnisspur erfordert, um die beiden Reize zu verknüpfen. Es wurde gefunden, dass primärer somatosensorischer Kortex (S1, barrel cortex) bei Nagetieren lernabhängige Plastizitätsveränderungen während TEBC zeigte (Galvez et al. 2006; Galvez, Weible, and Disterhoft 2007a; Joachimsthaler et al. 2015) , während über seine Beteiligung während DEBC nur wenig bekannt ist. Aus diesem Grund versuchte die vorliegende Studie herauszufinden, ob es während des DEBC-Lernprozesses auch lernbezogene Plastizitätsveränderungen in S1 gibt. Wenn im S1 während der DEBC ähnliche Veränderungen wie bei der TEBC festgestellt werden könnten, würde dies die Auffassung unterstützen, dass es sich dabei um eine Folge eines expliziten Lernvorgangs handelt. Zu diesem Zweck wurde kopffixierten wachen Mäusen als Versuchssubjekte verwendet, um während des gesamten Trainings und der Datenerfassung die höchste experimentelle Kontrolle zu gewährleisten. Mechanische Stimulation der E1 Vibrisse wurde als CS verwendet und ein Luftstoß gegen die Kornea des ipsilateralen Auges wurde als US verwendet. Während des gesamten Lernprozesses wurden die Lidschlussreaktionen registriert, um eine Lernkurve zu erstellen. Die Plastizitätsveränderungen wurden durch extrazelluläre MultiUnit Feuerraten mittels chronsich implantierter Mikroelektroden in der E1 Barrel Kolumne registriert. Mithilfe von Matlab Programmen wurden local field potential (LFP) und Multi-Einheit Spikerate analysiert. Die Spikerate wurde in Bezug auf den Lernerfolg (von 0 bis 1) dargestellt. Eine lineare Regressionsanalyse wurde verwendet, um die Beziehung zwischen den Veränderungen der neuronalen Aktivitäten und dem Lernfortschritt abzuschätzen. Es wurde die allgemeine Tendenz einer abnehmenden Spikerate während der CS-Präsentation parallel zum Lernfortschritt gefunden. Diese Feststellung steht im Einklang mit einer kürzlich durchgeführten Studie unseres Labors über TEBC-Lernen, bei der ein ähnliches experimentelles Design verwendet wurde (Silva-Prieto, Hofmann, and Schwarz 2023). Obwohl die Bedeutung und Funktion dieser neuronalen Aktivitätsunterdrückung nicht vollständig verstanden sind, ist es wahrscheinlich, dass der S1 einige Aspekte des assoziativen Lernens in DEBC ähnlich wie in TEBC repräsentiert. Diese Erkenntnis ist ein erster Schritt zur Aufklärung der neuronalen Grundlagen der gleichzeitigen und interaktiven Natur von impliziten und expliziten Lernsystemen im Säugetiergehirn.