O p e r a n t C o n d i t i o n i n g u s i n g s e l f - s t i m u l a t i o n i n A p l y s i a
B j ö r n B r e m b s , F r e d L o r e n z e t t i , E l i z a b e t h W i l k i n s o n , F r e d y R e y e s , D o u g l a s A . B a x t e r a n d J o h n H . B y r n e
U n i v e r s i t y o f T e x a s H o u s t o n M e d i c a l S c h o o l D e p a r t m e n t o f N e u r o b i o l o g y a n d A n a t o m y
6 4 3 1 F a n n i n , H o u s t o n , T e x a s , U S A
h t t p : / / n b a . u t h . t m c . e d u / h o m e p a g e / j b y r n e /
I . I n t r o d u c t i o n
F o r m o s t o f t h e 2 0 t h c e n t u r y t h e r e h a s b e e n a d e b a t e o v e r t h e e q u i v a l e n c e o f c l a s s i c a l a n d o p e r a n t l e a r n i n g p r o c e s s e s . D u e i n p a r t t o s t u d i e s o f l e a r n i n g i n A p l y s i a , a g r e a t d e a l i s k n o w n a b o u t t h e c e l l u l a r b a s i s o f c l a s s i c a l c o n d i t i o n i n g . I n c o m p a r i s o n , r e l a t i v e l y l i t t l e i s k n o w n a b o u t t h e m e c h a n i s m s u n d e r l y i n g o p e r a n t c o n d i t i o n i n g . T h i s d e f i c i t r e s u l t s , i n p a r t , f r o m t h e l a c k o f a s u i t a b l y t r a c e a b l e m o d e l s y s t e m t h a t m a n i f e s t s o p e r a n t c o n d i t i o n i n g a n d t h a t i s a m e n a b l e t o c e l l u l a r a n d m o l e c u l a r s t u d i e s . I f s u c h a p r e p a r a t i o n e x i s t e d , t h e o l d p s y - c h o l o g i c a l p r o b l e m c o u l d b e d e v e l o p e d i n t o a b i o l o g i c a l e x p e r i m e n t .
I d e a l l y , b o t h o p e r a n t a n d c l a s s i c a l p r o c e s s e s s h o u l d b e s t u d i e d i n t h e s a m e m o d e l s y s t e m . A s p a r t o f o u r e f f o r t t o d e v e l o p o p e r a n t a n d c l a s s i c a l p a r a d i g m s i n A p l y s i a f e e d i n g b e h a v i o u r , w e d e v e l o p e d a n i n v i v o o p e r a n t c o n d i t i o n i n g p r o c e d u r e , c o m p l e m e n t i n g a n a l r e a d y e s t a - b l i s h e d c l a s s i c a l p r o t o c o l ( L e c h n e r a t a l . 2 0 0 0 a , b ) . U n l i k e t h e c l a s s i c a l p r o c e d u r e t h a t u s e d f o o d r e i n f o r c e m e n t , w e r e p l a c e d t h e f o o d b y v i r t u a l s t i m u l i . V i r t u a l r e a l i t y e n c o m p a s s e s t h e r e p l a c e m e n t o f p h y s i c a l s t i m u l i w i t h n e u r a l s t i m u l a t i o n . T h u s , w e s t a r t e d b y m o n i t o r i n g p u - t a t i v e a f f e r e n t a c t i v i t y i n t h e e s o p h a g e a l n e r v e ( E n . ) i n t h e f e e d i n g a n i m a l ( s e e I I ) . T h e r e - c o r d e d a c t i v i t y w a s t h e n m i m i c k e d b y e l e c t r i c a l s t i m u l a t i o n o f t h e E n . a s r e i n f o r c e m e n t . T h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e r e i n f o r c e m e n t w a s d e t e r m i n e d b y p a i r i n g i t w i t h b i t i n g b e h a v i o u r i n a n o p e r a n t c o n d i t i o n i n g e x p e r i m e n t . T h e a n i m a l s c o n t r o l l e d t h e e l e c t r i c a l s t i m u l a t i o n o f t h e E n . b y t h e i r o w n b e h a v i o u r ( i . e . s e l f - s t i m u l a t i o n ; s e e . I I I ) . N e u r o n a l c o r r e l a t e s o f t h e o p e r a n t m e m o r y a f t e r r e i n f o r c e m e n t w i t h v i r t u a l s t i m u l i w e r e o b t a i n e d f r o m a n i n t e r n e u r o n i n t h e b u c c a l g a n g l i o n o f A p l y s i a ( s e e I V ) .
X X V I I I . G ö t t t i n g e n N e u r o b i o l o g y C o n f e r e n c e , 7 . - 1 0 . 6 . 2 0 0 1 I I . I n v i v o r e c o r d i n g s
C h r o n i c e x t r a c e l l u l a r r e c o r d i n g s w e r e p e r f o r m e d b y s u r g i c a l l y i m p l a n t i n g h o o k e l e c t r o d e s o n i n t a c t A p l y s i a n e r v e s . O n e s e t o f e l e c t r o d e s w a s p l a c e d o n b u c c a l n e r v e 2 ( n . 2 ) a n d s e r v e d a s a b e h a v i o u r a l m o n i t o r f o r b i t i n g a n d s w a l l o w i n g b e h a v i o u r . T h e o t h e r w a s a t t a c h e d t o t h e a n t e r i o r b r a n c h o f t h e e s o p h a g e a l n e r v e ( E n . ) . R e f e r e n c e e l e c t r o d e s w e r e f l o a t i n g f r e e l y i n t h e h e m o c o e l . T h e r e c o r d i n g s w e r e p e r f o r m e d o n e d a y a f t e r t h e s u r g e r y . P r o l o n g e d a c t i v i t y ( 3 s / 3 0 H z ) i n t h e E n . i s g e n e r a t e d w h e n f o o d i s p r e s e n t i n t h e b u c c a l c a v i t y ( b ) , v e r s u s d u r i n g s p o n t a n e o u s b i t i n g b e h a v i o u r w i t h o u t f o o d ( a ) .
I I I . O p e r a n t c o n d i t i o n i n g
O p e r a n t c o n d i t i o n i n g o f f e e d i n g b e h a v i o u r w a s c a r r i e d o u t i n b l o c k s o f f i v e m i n u t e s . A f i v e m i n u t e b a s e l i n e p e r i o d w a s f o l l o w e d b y e i t h e r t w o o r t h r e e 5 m i n t r a i n i n g b l o c k s . T h e a n i m a l s w e r e t h e n e i t h e r t e s t e d i m m e d i a - t e l y a f t e r t r a i n i n g o r 2 4 h a f t e r t h e s t a r t o f t h e e x p e r i m e n t . B e f o r e e a c h e x p e r i m e n t , t h e a n i m a l s w e r e r a n d o m l y a s s i g n e d t o o n e o f t h r e e g r o u p s : a n ' e x p e r i m e n t a l ' g r o u p i n w h i c h e a c h b i t e d u r i n g t r a i n i n g w a s f o l l o w e d b y 3 s e c o n d s o f 3 0 H z ( 8 V ) s t i m u l a t i o n o f t h e E n . , a ' y o k e d c o n t r o l ' t h a t r e c e i v e d t h e s a m e s e q u e n c e o f r e i n f o r c e - m e n t s a s t h e e x p e r i m e n t a l g r o u p , b u t i n d e p e n d e n t o f t h e i r b e h a v i o u r a n d f i n a l l y a ' n o U S ' g r o u p t h a t d i d n o t r e c e i v e a n y s t i m u l a t i o n a t a l l . D u r i n g t e s t p h a s e s , n o n e o f t h e a n i m a l s r e c e i v e d a n y s t i m u l a t i o n .
I V . N e u r o n a l c o r r e l a t e s o f o p e r a n t c o n d i t i o n i n g V . C o n c l u s i o n
W e h a v e r e c o r d e d a f f e r e n t a c t i v i t y i n t h e E n . o f f e e d i n g A p l y s i a t h a t c o i n c i d e d w i t h b i t i n g a n d s w a l l o w i n g ( s e e I I ) . W h e n f r e e l y m o v i n g A p l y s i a c a n c o n t r o l t h e a m o u n t o f E n . s t i m u l a t i o n m i m i c k i n g t h e a c t i v i t y d u r i n g b i t i n g a n d s w a l l o w i n g f o o d , t h e y i n c r e a s e t h e b e h a v i o u r c o n t r o l l i n g t h e s t i m u l a t i o n c o m p a r e d t o t w o c o n t r o l g r o u p s . T h e a s s o c i a t i o n b e t w e e n t h e b e h a v i o u r a n d t h e s t i m u l a t i o n c a n s t i l l b e d e t e c t e d 2 4 h a f t e r t h e e x p e r i m e n t ( s e e I I I ) . C o m p a r i n g i n p u t r e s i s t a n c e a n d b u r s t t h r e s h o l d o f b u c c a l i n t e r n e u r o n B 5 1 i n c o n t i n g e n t l y r e i n f o r c e d a n i m a l s v e r s u s y o k e d c o n t r o l s , a n e u r o n a l c o r r e l a t e o f t h e o p e r a n t m e m o r y c a n b e d e t e c t e d ( s e e I V ) .
T h e s e f i n d i n g s p a r a l l e l t h e r e s u l t s o f p r e v i o u s e x p e r i m e n t s w h e r e a s i m i l a r c h a n g e i n t h e i n t r i n s i c p r o p e r t i e s o f B 5 1 w a s f o u n d i n a n i n v i t r o a n a l o g u e o f o p e r a n t c o n d i t i o n i n g ( N a r g e o t e t a l . 1 9 9 9 a , b ) . T a k e n t o g e t h e r , t h e s e e x p e r i m e n t s e s t a b l i s h a d i r e c t l i n e o f e v i d e n c e f r o m a b e h a v i o u r a l p a r a d i g m , v i a a n o p e r a n t a n a l o g u e i n t h e i s o l a t e d n e r v o u s s y s t e m t o a s i n g l e c e l l . T h i s c e l l e x h i b i t s l a s t i n g m o d i f i c a t i o n s o f i t s i n t r i n s i c p r o p e r t i e s a f t e r o p e r a n t c o n d i t i o n i n g i n b o t h t h e w h o l e a n i m a l a n d t h e i n v i t r o a n a l o g u e . A p a r a l l e l s e t o f i n v i v o a n d i n v i t r o s t u d i e s i s c u r r e n t l y b e i n g p e r f o r m e d u s i n g c l a s s i c a l t r a i n i n g . C o m p a r a t i v e s t u d i e s o f o p e r a n t a n d c l a s s i c a l c o n d i t i o n i n g i n t h e s a m e m o d e l s y s t e m o n a c e l l u l a r a n d m o l e c u l a r l e v e l w i l l f i n a l l y b e f e a s i b l e .
L e f t : 5 m i n u t e s o f b a s e l i n e t e s t r e v e a - l e d n o d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e g r o u p s p r i o r t o t r a i n i n g
L e f t : D u r i n g t r a i n i n g , a d i f f e - r e n c e b e t w e e n t h e g r o u p s i s s t a r t i n g t o e m e r - g e .
L e f t : I n a p i l o t s t u d y f o r t h e s e a r c h f o r n e u r o n a l c o r - r e l a t e s ( s e e I V ) , w e i n v e s t i - g a t e d t h e e f f e c t s o f t h r e e i n s t e a d o f t w o 5 m i n t r a i n i n g b l o c k s .
A p p a r e n t l y , t h r e e t r a i n i n g b l o c k s i n c r e a s e t h e d i f f e - r e n c e b e t w e e n t h e g r o u p s .
A p l y s i a b u c c a l i n t e r n e u r o n B 5 1 i s o n l y a c t i v e d u r i n g i n g e s t i o n - l i k e a c t i v i t y i n t h e b u c - c a l c e n t r a l p a t t e r n g e n e r a t o r ( C P G , b e l o w ) . I t w a s f o u n d p r e v i o u s l y , t h a t B 5 1 e x h i b i t s l a s t i n g c h a n g e s i n i t s i n t r i n s i c p r o p e r t i e s a f t e r t r a i n i n g i n a n i n v i t r o a n a l o g u e o f o p e - r a n t c o n d i t i o n i n g ( N a r g e o t e t a l . 1 9 9 9 a , b ) . I n t h i s a n a l o g u e , t h e i s o l a t e d b u c c a l g a n g l i - o n w a s r e i n f o r c e d v i a E n . w h e n e v e r t h e C P G p r o d u c e d i n g e s t i o n - l i k e a c t i v i t y , a p r o c e d u r e v e r y s i m i l a r t o o u r i n v i v o p r e p a r a t i o n ( s e e I I I ) .
I n t h e p r e s e n t s t u d y , w e u s e d a n i m a l s a f t e r t h r e e 5 m i n b l o c k s o f t r a i n i n g ( s e e I I I ) . D i - r e c t l y a f t e r t r a i n i n g , t h e a n i m a l s w e r e a n a e s t h e t i s e d a n d t h e b u c c a l g a n g l i a r e m o v e d . U s i n g s t a n d a r d e l e c t r o p h y s i o l o g i c a l t e c h n i q u e s , t h e a m o u n t o f d e p o l a r i z i n g c u r r e n t n e e d e d t o e l i c i t a b u r s t o f a c t i o n p o t e n t i a l s ( ' b u r s t t h r e s h o l d ' ) , t h e m a g n i t u d e o f d e f l e c - t i o n o f t h e m e m b r a n e p o t e n t i a l d u e t o c u r r e n t i n j e c t i o n ( ' i n p u t r e s i s t a n c e ' ) , a s w e l l a s t h e c e l l ' s r e s t i n g m e m b r a n e p o t e n t i a l w a s r e c o r d e d . W e f o u n d a s i g n i f i c a n t i n c r e a s e i n i n p u t r e s i s t a n c e a n d a d e c r e a s e i n b u r s t t h r e s h o l d i n t h e e x p e r i m e n t a l g r o u p v s . t h e y o - k e d c o n t r o l ( l e f t ) . T h e s e r e s u l t s s u g g e s t t h a t B 5 1 s h o u l d b e m o r e e a s i l y r e c r u i t e d d u r i n g p a t t e r n g e n e r a t i n g a c t i v i t y i n t h e b u c c a l C P G . A s B 5 1 i s o n l y a c t i v e d u r i n g i n g e s t i o n - l i k e a c t i v i t y , t h e e l e c t r o p h y s i o l o g i c a l r e s u l t s a r e c o n s i s t e n t w i t h t h e b e h a v i o u r a l o b s e r - v a t i o n o f a n i n c r e a s e i n t h e n u m b e r o f b i t e s a f t e r o p e r a n t c o n d i t i o n i n g ( s e e I I I ) .
A b o v e : C o m p u t e r s i m u l a t i o n o f t h e c e n t r a l p a t t e r n g e n e r a t o r ( C P G ) i n t h e b u c c a l g a n g l i a o f A p l y s i a . T h e m o d e l i n c o r p o r a t e s t h e d i v e r s e p h y s i o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f t h e d i f f e r e n t i d e n t i f i e d c e l l s a s w e l l a s t h e m u l t i p l e c o m p o n e n t s a n d p l a s t i c i t y i n m o s t s y n a p t i c c o n n e c t i o n s . D a t a f r o m o u r p h y s i o l o g i c a l s t u d i e s i s c o n s t a n t l y b e i n g a d d e d t o u p g r a d e t h e s i m u l a t i o n .
R e f e r e n c e s :
L e c h n e r , H . A . , B a x t e r , D . A . a n d B y r n e , J . H . ( 2 0 0 0 a ) . C l a s s i c a l c o n d i t i o n i n g o f f e e d i n g i n A p l y s i a : I . B e h a v i o r a l a n a l y s i s . J . N e u r o s c i . 2 0 , 3 3 6 9 - 7 6 .
L e c h n e r , H . A . , B a x t e r , D . A . a n d B y r n e , J . H . ( 2 0 0 0 b ) . C l a s s i c a l c o n d i t i o n i n g o f f e e d i n g i n A p l y s i a : I I . N e u r o p h y s i o l o g i c a l C o r r e l a t e s . J . N e u r o s c i . 2 0 , 3 3 7 7 - 3 3 8 6 .
N a r g e o t , R . , B a x t e r , D . A . a n d B y r n e , J . H . ( 1 9 9 9 a ) . I n v i t r o a n a l o g o f o p e r a n t c o n d i t i o n i n g i n a p l y s i a . I . C o n t i n g e n t r e i n f o r c e m e n t m o d i f i e s t h e f u n c t i o n a l d y n a m i c s o f a n i d e n t i f i e d n e u r o n . J . N e u r o s c i . 1 9 , 2 2 4 7 - 6 0 .
N a r g e o t , R . , B a x t e r , D . A . a n d B y r n e , J . H . ( 1 9 9 9 b ) . I n v i t r o a n a l o g o f o p e r a n t c o n d i t i o n i n g i n a p l y s i a . I I . M o d i f i c a t i o n s o f t h e f u n c t i o n a l d y n a m i c s o f a n i d e n t i f i e d n e u r o n c o n t r i b u t e t o m o t o r p a t t e r n s e l e c t i o n . J . N e u r o s c i . 1 9 , 2 2 6 1 - 7 2 .
R i g h t : A n i m a l s w e r e t e s t e d f o r s p o n t a n e o u s b i t i n g b e h a v i o u r e i t h e r i m m e d i a t e l y a f t e r t r a i - n i n g ( F i g . a ) o r 2 4 h o u r s l a t e r ( F i g . b ) . A t b o t h t i m e p o i n t s , c o n t i n g e n t r e i n f o r c e m e n t l e a d t o a s i g n i f i c a n t l y h i g h e r r a t e o f b i t i n g i n t h e e x p e r i m e n t a l g r o u p c o m p a r e d t o b o t h c o n - t r o l s .
