结合穿梭箱训练与皮层电生理记录及刺激作为研究感知与学习的工具

以下实验的总体目标是评估并调控学习过程中的神经群体活动和神经动力学。首先，通过植入多电极阵列，实现对听觉皮层特定部位神经元活动的同时刺激与记录；随后，在第二阶段，对已植入电极的动物在双室穿梭箱中进行“趋近-避免”范式训练，同时记录听觉皮层的持续神经活动，并应用皮层内微刺激进行条件化操作。

接下来，对学习行为及相关联的学习性时空活动模式进行逐次试验的离线分析。结果表明，位点特异性的皮层微刺激可用于诱发时空活动模式，从而表征内在的主观认知状态。因此，该方法建立了皮层神经回路活动模式与可观察的学习及感知行为状态之间的关联。

本文所述技术表明，不仅能够将个体皮层活动模式与特定的行为和认知状态相关联，而且还可以通过电刺激诱发特定的感知，这些感知可与不同的行为相关联。这一发现的延伸方向是开发用于替代丧失感觉功能的神经假体。该方法也可应用于其他啮齿类动物，如大鼠和小鼠。

通常，初次接触该方法的研究人员会面临困难，因为要从这些学习实验中获得良好的结果，需要具备丰富的经验以及成熟的动物操作与训练标准。首先制备用于刺激的多通道电极阵列，然后将其外科手术植入听觉皮层。根据本实验方案书面部分的说明，其余操作步骤必须在动物完全从手术中恢复后方可开始。

硬膜外表面电极阵列由不锈钢丝制成，排列成3×6矩阵，电极间距离约为600微米。将头级放大器插入记录电缆。使用由金属网包裹的细软电缆束，以保护连接处免受动物啃咬造成的损坏。

在屏蔽盒内使用前置放大器以提高信噪比和通带性能。对局部场电位记录，应在目标频率范围内进行信号滤波，采用高于1千赫兹的采样频率，并使用2至300赫兹的滤波器。对于动作电位记录，应使用至少40千赫兹的采样频率和300至4,000赫兹的滤波器。

开始行为学实验时，使用位于声学和电磁屏蔽室内的穿梭箱。该箱体包含两个由障碍物隔开的隔间。应根据特定物种选择合适的障碍物高度，因为障碍物高度会影响动物行为反应的偏向性。

将待测动物连接至记录和刺激电缆后，轻柔地将动物放入训练室，于实验开始前使其适应环境三分钟，记录适应阶段的所有区域变换。在训练开始前，仔细检查记录信号的质量。对信号应用在线快速傅里叶变换滤波器，以确定50赫兹噪声的幅度。

最后，仔细检查头端连接器、适配器、头级放大器、线缆组件与放大器之间的所有连接。使用多通道刺激器通过刺激电极传递皮层内微刺激，以实现条件刺激。先给予条件刺激，然后通过网格地板传递足部电击非条件刺激，确保所施加电击具有厌恶性，但不引起疼痛。

如上所示。在试验之间插入无条件刺激和条件刺激的空白试验，以通过细微行为进行校正。将在条件刺激出现后的四秒关键时间窗口内发生的区域变化分类为有效反应。

如果在关键时间窗口内未对条件刺激产生条件反应，则立即给予持续6到10秒的轻微足部电击。若在条件刺激呈示的负性试验中未出现条件反应，则将其归类为“漏报”；若在关键时间窗口内发生区域转换，则归类为“误报”反应。在此类不适当的条件反应发生后，立即施加非条件刺激，持续时间最长可达10秒。

当动物在关键时间窗口内停留在隔室中时，在条件刺激阴性试验后不得施加足底电击非条件刺激。在完成整个实验后，将其归类为正确拒绝，并通过提供手术麻醉，然后经所有刺激通道施加单极导泻电流，以在植入位置的组织中产生铁沉积，从而对刺激电极阵列的稳定位置进行对照。在线仔细测定逃避潜伏期；若逃避潜伏期超过两秒，则逐步增加足底电击强度。

在完成前20次试验以分析训练数据后，根据屏幕上的图表计算条件刺激阳性（conditioned stimulus positive）和条件刺激阴性（conditioned stimulus negative）试验的条件反应率，以会话或试验区块为函数评估训练进展和学习动态。最后，按照方案书面部分的说明进行深度启动（deep prime）分析。深度启动的敏感性指数大于1可作为成功辨别反应的阈值标准。在条件刺激阳性试验中的个体试验反应潜伏期在此处绘制成图。在整个训练过程中，所有潜伏期低于秒的反应均对应成功的命中反应（hit responses）。

反应潜伏期的直方图呈双峰分布，分别对应于六秒以内的高强度间歇训练（HIIT）反应，以及六到八秒之间的逃避反应。这是单次训练会话中，对单个动物在条件刺激阳性试验中平均得到的电诱发电位（EEP）的典型示例：EEP在去除单脉冲刺激伪迹前以黑色显示，去除伪迹后以红色显示。可在20毫秒潜伏期观察到一个早期显著的负向峰，称为N20。

该图进一步分析了在上图中，对前部刺激电极施加的阳性条件刺激以及对中部刺激电极施加的阴性条件刺激所引发的 N 两个零振幅的空间分布。在下图中，展示了听觉皮层内诱发状态的空间分辨率。在进行该操作时，必须注意网格地板的接地对于获得高质量的电生理记录以及正确施加电刺激至关重要。

为了在感知和学习过程中研究皮层环路中的特定细胞类型和神经递质系统，该方案还可纳入光遗传学和药理学操控等其他方法。该技术为该领域的研究人员提供了新途径，使其能够从单纯的关联性描述转向更深入地揭示神经元动力学在学习与记忆功能中的因果作用。