Condicionamento Eyeblink - Eyeblink conditioning
O condicionamento Eyeblink ( EBC ) é uma forma de condicionamento clássico que tem sido usado extensivamente para estudar estruturas e mecanismos neurais que sustentam o aprendizado e a memória . O procedimento é relativamente simples e geralmente consiste em emparelhar um estímulo auditivo ou visual (o estímulo condicionado (CS)) com um piscar de olhos - estimulando o estímulo não condicionado (US) (por exemplo, uma leve baforada de ar na córnea ou um leve choque). Os organismos ingênuos inicialmente produzem uma resposta reflexiva e não condicionada (UR) (por exemplo, piscar ou extensão da membrana nictitante) que segue o início do US. Depois de muitos emparelhamentos CS-US, uma associação é formada de modo que um piscar aprendido, ou resposta condicionada (CR), ocorre e precede o início do US. A magnitude da aprendizagem é geralmente medido pela percentagem de todos os pares CS-americanos ensaios que resultam em um CR. Em condições ideais, animais bem treinados produzem uma alta porcentagem de CRs (> 90%). As condições necessárias e os mecanismos fisiológicos que governam o aprendizado do CR eyeblink foram estudados em muitas espécies de mamíferos , incluindo camundongos, ratos, porquinhos-da-índia, coelhos, furões, gatos e humanos. Historicamente, os coelhos têm sido os objetos de pesquisa mais populares.
Contingência CS-US
A ordem em que os estímulos são apresentados é um fator importante em todas as formas de condicionamento clássico . O condicionamento para a frente descreve um formato de apresentação em que o CS precede os EUA no tempo. Ou seja, na perspectiva do sujeito da pesquisa, vivenciar o US depende de ter acabado de vivenciar a SC. A EBC é geralmente, mas nem sempre, conduzida dessa maneira. Outras contingências de estímulos incluem o condicionamento para trás , em que US vem antes de CS, e o condicionamento simultâneo , em que CS e US são apresentados ao mesmo tempo. Em qualquer caso, o tempo entre o início do CS e o início do US é o intervalo interestímulo (ISI). Os animais são geralmente treinados com um ISI mais curto do que os humanos, o que pode dificultar as comparações entre espécies.
Os procedimentos de atraso e rastreamento
No retardo da EBC, o início do SC precede o início do US e os dois estímulos se sobrepõem e coterminam, com os estímulos convergindo no córtex cerebelar e no núcleo interpositivo. No rastreamento EBC, o CS precede o US e há um período livre de estímulo (intervalo de rastreamento) entre o deslocamento do CS e o início do US. Embora ambos os procedimentos exijam o cerebelo , o procedimento de rastreamento também exige o hipocampo e o córtex pré-frontal medial.
Circuito neural
O reflexo de piscar
Quando um US é fornecido à córnea do olho, as informações sensoriais são transportadas para o núcleo do trigêmeo e retransmitidas direta e indiretamente (via formação reticular ) para o abducente acessório e o núcleo motor do abducente (consulte Núcleo do nervo craniano ). A saída desses núcleos controla vários músculos oculares que trabalham sinergicamente para produzir uma resposta de piscar não condicionada à estimulação da córnea (revisado, Christian & Thompson, 2003). A atividade do eletromiograma (EMG) do músculo orbicular do olho , que controla o fechamento da pálpebra, é considerada o componente mais proeminente e sensível do piscar (Lavond et al., 1990) e é, portanto, a variável dependente derivada do comportamento mais comum em estudos de EBC.
O caminho dos EUA
O núcleo trigeminal também envia projeções eferentes para a oliva inferior (IO), e isso representa a via dos EUA para o CEP. A região crítica do IO para o condicionamento do piscar de olhos é a oliva acessória dorsal (Brodal, 1981), e as fibras trepadeiras (CF) dessa região enviam informações sobre os EUA para o cerebelo (Brodal, Walberg & Hoddevik, 1975; Thompson, 1989) . Em última análise, as fibras trepadeiras se projetam para os núcleos cerebelares profundos e para as células de Purkinje (PCs) no córtex cerebelar .
O caminho CS
Os núcleos pontinos (PN) podem suportar diferentes modalidades de CS (tom auditivo, luz, etc.) para EBC à medida que recebem projeções de sistemas auditivos, visuais, somatassensoriais e de associação (Glickstein et al., 1980; Brodal, 1981; Schmahmann & Pandya, 1989; 1991; 1993). Quando o SC é um tom, a informação auditiva é recebida através dos núcleos cocleares (Steinmetz & Sengelaub, 1992). O PN dá origem a axônios de fibra musgosa (MF) que carregam informações relacionadas ao CS (Steinmetz et al., 1987; Lewis et al., 1987; Thompson et al., 1997) para o cerebelo através do pedúnculo cerebelar médio e terminam em ambos os núcleos cerebelares e nas células granulares (GR) do córtex cerebelar (Steinmetz & Sengelaub, 1992). As células granulares dão origem a axônios de fibra paralela (PF) que fazem sinapses com os PCs.
Convergência CS-US no cerebelo
Dois sítios cerebelares de convergência CS-US são 1) células da região nuclear profunda do cerebelo e 2) PCs do córtex. Além de receber entrada convergente de CS e US via PN e IO, respectivamente, as células dos núcleos cerebelares recebem entrada inibitória GABA -érgica de PCs do córtex cerebelar. A saída do núcleo interpositivo inclui projeções para o núcleo vermelho , e o núcleo vermelho envia projeções para os núcleos facial e abducente. Esses núcleos fornecem o componente de saída motora do piscar de olhos reflexivo. Portanto, além de ser um local de convergência de estímulos, os núcleos profundos também são a estrutura de saída do cerebelo.
Papel crítico do núcleo interposto
O professor Richard F. Thompson e seus colegas identificaram inicialmente o cerebelo como a estrutura essencial para aprender e executar CRs de piscar de olhos. Alguns cientistas pensam que o núcleo interposto é o local crítico para aprender, reter e executar a resposta de piscar de condicionamento.
Estudos de lesão
A primeira evidência do papel do cerebelo no CEP veio de McCormick et al. (1981). Eles descobriram que uma lesão cerebelar unilateral que incluía o córtex e os núcleos profundos aboliu permanentemente os CRs. Em estudos subsequentes, foi determinado que as lesões do interposto lateral e núcleos dentados mediais foram suficientes para prevenir a aquisição de CRs em animais virgens (Lincoln et al., 1982) e aboliu CRs em animais bem treinados (McCormick & Thompson, 1984) . Finalmente, o uso de lesões de ácido kainico , que destroem corpos celulares neuronais e poupam fibras de passagem, forneceu evidências para uma região altamente localizada de células nucleares cerebelares que são essenciais para aprender e realizar CRs (Lavond et al., 1985). A população de células críticas para EBC parece estar restrita a uma área de ~ 1 mm3 de INP anterior dorsolateral ipsilateral ao olho condicionado. Lesões nessa área do INP resultam na incapacidade de adquirir CRs em piscadelas em animais virgens. Além disso, a permanência do efeito de lesão localizada é notável. Em animais bem treinados, os CRs abolidos como resultado da lesão não são readquiridos, mesmo após um treinamento extensivo que dura mais de 8 meses (Steinmetz et al., 1992). Esses resultados demonstram que uma região altamente localizada do cerebelo deve estar intacta para que o aprendizado de RC ocorra em EBC.
Estudos de inativação reversível
A inativação reversível do INP forneceu mais evidências de seu papel na CE. Os métodos usados para inativar temporariamente o tecido nervoso incluem o uso de uma sonda de resfriamento (<10 ° C) e infusão local de Muscimol ou Lidocaína . Esses métodos são vantajosos principalmente porque o experimentador pode essencialmente ligar e desligar o tecido neutro, por si só . O efeito de cada um desses protocolos de inativação no aprendizado e execução de RC foi testado em todo o cerebelo e estruturas associadas do tronco cerebral. Quando aplicada ao INP, a inativação temporária evita completamente o aprendizado de CRs em animais ingênuos, e o aprendizado ocorre normalmente durante o treinamento pós-inativação (Clark et al., 1992; Krupa et al., 1993; Nordholm et al., 1993; Krupa & Thompson, 1997). Além disso, a inativação do INP em animais bem treinados resulta em uma depressão completa da resposta condicionada, que retorna aos níveis de platô quando o INP volta a ficar online (Clark et al., 1992).
Estudos de registro neural
Registros de atividade neuronal de múltiplas unidades do INP de coelho durante o condicionamento de piscar de olhos foram possíveis com implantes de eletrodos crônicos e revelaram uma população de células que descarrega antes do início do CR de piscar de olhos aprendido e dispara em um padrão de frequência de resposta aumentada que previu e modelou a forma temporal do CR comportamental (McCormick et al., 1981; 1982; 1983; Thompson, 1983; 1986; Foy et al., 1984; McCormick & Thompson, 1984a; b; Berthier & Moore, 1990; Gould & Steinmetz, 1996). Resultados semelhantes foram encontrados no INP de ratos (Freeman & Nicholson, 2000; Stanton & Freemen, 2000; Rogers et al., 2001), demonstrando assim que os circuitos subjacentes a esta forma de aprendizagem podem ser conservados entre as espécies. Embora as amostras de atividade de unidade única do INP e dos núcleos circundantes tenham revelado uma infinidade de padrões de resposta durante a EBC (Tracy, 1995), muitas das células no INP dorsolateral anterior aumentam significativamente sua taxa de disparo em um padrão temporal preciso que é atrasado do início do CS e precede o início do CR (Foy et al., 1984; Berthier & Moore, 1990). Este padrão de resposta é indicativo de uma estrutura que é capaz de codificar o aprendizado e / ou executar respostas comportamentais aprendidas.
Sites críticos para aprender a jusante
Locais alternativos de plasticidade sináptica críticos para EBC foram postulados como existindo a jusante do cerebelo. Alguns loci propostos incluem o núcleo vermelho (Tsukahara, Oda e Notsu, 1981), o núcleo trigeminal e estruturas associadas (Desmond & Moore, 1983) ou o núcleo motor facial (Woody et al., 1974). Todas essas estruturas foram descartadas como locais potenciais de plasticidade crítica para a aprendizagem do eyeblink CR (Krupa, Thompson e Thompson, 1993; Clark e Lavond, 1996; Krupa, Weng e Thompson, 1996).
Resumo
Tomados em conjunto, os resultados dos estudos de lesão, inativação e registro neural parecem demonstrar que a porção dorsolateral do núcleo interpositivo anterior (INP) do cerebelo, ipsilateral ao olho treinado, é um local essencial para aquisição e expressão de CR em EBC ( Lincoln et al., 1982; Lavond et al., 1984a, b). No entanto, estudos recentes (Nilaweera et al., 2006) descobriram que o bloqueio temporário da produção cerebelar impediu a aquisição normal de respostas condicionadas. Os autores concluíram que esta forma de aprendizagem associativa no sistema eyeblink de coelho requer aprendizagem extra-cerebelar e / ou aprendizagem cerebelar que depende da operação de loops de feedback cerebelares.
Papel do córtex cerebelar
Duas áreas do córtex que são conhecidas por estarem envolvidas no condicionamento do piscar de olhos são o lóbulo HVI (Lavond et al., 1987; Lavond e Steinmetz, 1989; Yeo e Hardiman, 1992) e o lóbulo anterior ((ANT) Garcia, Steele e Mauk , 1999). A importância do córtex cerebelar na EBC, em relação ao INP, é motivo de debate na comunidade científica.
Estudos de lesão
Vários estudos tentaram avaliar o papel do córtex cerebelar no aprendizado da RC do piscar de olhos, e os primeiros estudos focaram em grandes lesões de aspiração do córtex cerebelar. Lavond e Steinmetz (1989) removeram completamente os lóbulos HVI / HVIIa e porções significativas de ANT, poupando o INP, e encontraram déficits de aquisição significativos. Em comparação com os controles, os animais lesionados demoraram sete vezes mais para atingir o critério de aprendizagem. Porcentagens significativas de CRs foram eventualmente alcançadas pelos animais com lesão cortical, mas os CRs eram de baixa amplitude e mal cronometrados. Finalmente, grandes lesões do córtex cerebelar após o aprendizado não abolem os CRs aprendidos (Lavond et al., 1987). Um fator comum em todos esses estudos de ablação cortical foi que partes do córtex foram poupadas; tornando possível supor que outras áreas do córtex estavam compensando a perda de tecido.
O mouse pcd
O condicionamento clássico de uma cepa de camundongo mutante deficiente em células de Purkinje ajudou a determinar até que ponto as regiões poupadas no córtex cerebelar compensavam as regiões lesadas nos estudos mencionados acima. Esses ratos nascem com PCs que morrem após cerca de 3 semanas de vida. Como os PCs são o único neurônio de saída do córtex, esse modelo efetivamente lesiona todo o córtex cerebelar. Os resultados do condicionamento foram semelhantes aos dos camundongos de aspiração cortical. Os camundongos demoraram significativamente mais para produzir CRs, e o tempo e o ganho da resposta foram distorcidos (Chen et al., 1996). Portanto, embora os déficits de aprendizagem do CR eyeblink estejam associados a lesões do córtex cerebelar, a estrutura não parece, em última análise, ser essencial para o aprendizado ou retenção do CR.
Estudos de inativação reversível
Os resultados dos estudos de inativação cortical cerebelar são semelhantes aos relatados para estudos de lesões. Por exemplo, Krupa (1993) inativou o lóbulo HVI com o agonista do receptor GABA A Muscimol e encontrou déficits de aquisição significativos, mas os animais eventualmente aprenderam. Clark et al. (1997) replicou esses resultados com uma sonda de resfriamento em HVI. Attwell, Rahman e Yeo (2001) descobriram uma interrupção semelhante da inativação do HVI. Eles infundiram o antagonista do receptor AMPA CNQX no HVI durante o treinamento de aquisição e descobriram que os coelhos infundidos com CNQX não aprenderam o CR eyeblink. No entanto, as infusões de CNQX pós-aquisição não afetaram a retenção. Esses resultados são desconcertantes, uma vez que os animais finalmente aprenderam o CR do piscar de olhos em todos os outros estudos de lesão cortical cerebelar e de inativação. Uma razão pela qual este efeito é tão forte pode ser que Attwell et al., (2001) treinaram animais por apenas 4 dias em um ISI que está fora de um intervalo conhecido por ser ideal para aprendizagem [150-300 ms é um CS- ideal O intervalo US e a magnitude da aprendizagem diminuem à medida que o ISI é aumentado (Schneiderman e Gormezano, 1964; Smith, Coleman e Gormezano, 1969)].
Estudos de registro neural
Estudos de registro eletrofisiológico do córtex cerebelar ajudaram a entender melhor o papel que os PCs desempenham no processo de aprendizagem da RC do piscar de olhos. McCormick e Thompson (1984b) registraram a atividade do PC durante o treinamento do piscar de olhos e encontraram populações de células que descarregaram em um padrão aparentemente relacionado ao CR comportamental, enquanto outras populações de PC descarregaram em padrões que coincidiram com a apresentação do CS ou US. Resultados semelhantes foram encontrados por Berthier e Moore (1986) com registro de unidade única de PCs no lóbulo HVI. Eles descobriram que as populações de neurônios disparam em relação a vários aspectos do treinamento do piscar de olhos, incluindo apresentação de CS e US e execução de CR. (Berthier e Moore, 1986; Gould e Steinmetz, 1996). Recentemente, atividades semelhantes de PC relacionadas a estímulos e respostas foram encontradas no ANT (Green e Steinmetz, 2005). Finalmente, os registros eletrofisiológicos de PCs em HVI e ANT revelaram uma diferença nas respostas gerais da população de PCs. A maioria dos PCs mostra padrões de atividade excitatórios durante o condicionamento do piscar de olhos em HVI (Berthier e Moore, 1986; Gould e Steinmetz, 1996; Katz e Steinmetz, 1997) e padrões de atividade inibitórios em ANT (Green e Steinmetz, 2005).
Em um estudo de gravação de unidade única em que as células de Purkinje individuais mostraram estar localizadas na área que controlava os piscadas e receber entrada de fibra escalando em apresentações dos EUA, apenas respostas inibitórias foram encontradas. Em um estudo recente de células de Purkinje caracterizadas de forma semelhante, que foram acompanhadas por mais de quinze horas, verificou-se que apresentações repetidas de CS e US causaram o desenvolvimento gradual de uma pausa no disparo das células de Purkinje. Essa resposta de pausa, denominada CR de célula de Purkinje, também foi obtida quando a estimulação direta com fibra musgosa foi usada como CS e a estimulação direta com fibra de escalada como US. Apresentações não emparelhadas de CS e US causaram a extinção da célula de Purkinje CR. Quando apresentações emparelhadas foram reintroduzidas após a extinção, os CRs das células de Purkinje reapareceram rapidamente, refletindo o fenômeno de "economia" demonstrado no nível comportamental. Os CRs das células de Purkinje também foram cronometrados de forma adaptativa.
Controle de feedback da aprendizagem
Foi demonstrado que os núcleos cerebelares profundos inibem a oliva inferior e esta inibição provavelmente tem uma função de controle de feedback negativo. À medida que a aprendizagem avança, a azeitona torna-se inibida e foi demonstrado que esta inibição tem propriedades temporais que a tornam idealmente adequada para servir como um sinal de feedback para controlar a aprendizagem. Estimular essa via durante apresentações CS-US emparelhadas causa extinção. Registros de células de Purkinje mostram que a azeitona está deprimida durante o CR da célula de Purkinje.
Resumo
Tomados em conjunto, os resultados de estudos de lesão, inativação e registro neural parecem demonstrar que o córtex cerebelar não é essencial para o aprendizado ou retenção de CR de piscamento ocular básico, mas que contribuições significativas do córtex fundamentam o aprendizado normal.
Mecanismos sinápticos subjacentes ao EBC
A fibra paralela - sinapse da célula de Purkinje
A depressão de longo prazo (LTD) na sinapse PF-PC é considerada como tendo consequências funcionais significativas para o aprendizado do CR comportamental em EBC (Ito, 1984). Por exemplo, como resultado do treinamento, as células INP se descarregam antes da execução do CR e disparam em um padrão de frequência aumentada de resposta que prediz a forma temporal do CR comportamental (McCormick & Thompson, 1984). Este padrão de atividade indica claramente que o INP é capaz de gerar uma resposta condicionada. As células de Purkinje do córtex cerebelar inibem tonicamente as células nucleares profundas. Portanto, uma diminuição da atividade de PC mediada por LTD no momento apropriado durante um intervalo CS-US poderia liberar o INP da inibição tônica e permitir a execução de um CR. Um aumento na atividade do PC pode ter o efeito oposto, proibindo ou limitando a execução de CR. Foi hipotetizado que os CRs são gerados pelo INP como resultado da liberação da inibição do PC (isto é, Perrett et al., 1993).