Brain Stimulation for Animal Behavior Control with Fear Modulation

Abstract

동물의 뇌의 특정한 영역에 전기적 자극을 주어 그들의 운동을 제어하려는 시도들이 있었다. 이를 위해 도파민 관련 보상 신경 회로를 자극하는 방법이 가장 보편적으로 이용되었다. 동물이 방향 신호와 같은 외부 명령을 정확하게 따르면 즉시 보상 회로를 자극하는 방식으로 동물을 훈련시킬 수 있다. 그러나, 이 방법은 동물이 명령을 따르지 않았을 때 능동적인 훈련이 불가능하다는 점에서 전략의 한계가 있다. 이 연구에서는 두려움 조절의 중추인 뇌의 편도체를 자극하여 징벌을 통한 훈련을 진행하였다. 동물이 명령 신호를 따르지 않았을 때 편도체에 전기 자극을 가했다. 명령은 쥐의 수염 감각 영역을 자극하여 방향 신호를 주었고, 이 신호에 맞는 방향으로 가도록 하였다. 보상회로, 편도체, 수염 감각 영역들은 직접 제작한 미세 전극을 통해 자극하였다. 실험 동물들은 훈련 방법에 따라 보상 자극만을 받는 그룹, 징벌만을 받는 그룹, 보상과 징벌 모두를 받는 그룹 이렇게 세 그룹으로 나누어졌다. T자 형의 미로에서 명령에 따른 방향 훈련 수행의 성공률을 측정하였고 이를 통해 교육 효과를 정량화하였다. 실험 결과, 쥐들은 기존의 보상뿐만 아니라 징벌만으로도 훈련이 가능하였다. 또한, 징벌과 보상이 함께 주어지면 훈련 효과가 급증하였다. 학습 과정이 필요하지 않고 처음부터 거의 완벽한 성공률을 보였다. 이 연구는 결과적으로 보상과 징벌이 함께 주어지는 것이 둘 중 하나만 주어지는 것보다 운동 제어 학습에 더 효과적임을 보였다.;In order to control animals’ locomotion, there have been several attempts to use electrical stimulation on brain regions. For this purpose, it is most common to stimulate dopamine-related rewarding neural pathways such as medial forebrain bundle (MFB). Basic principle is to deliver the MFB stimulation as a reward when the animal correctly follows the external commands such as directional cues. However, there is a limitation of this strategy in that active training is not possible when animals fail to follow the commands. In this study, amygdale nucleus, the brain center of fear modulation, is additionally targeted for training as a punishment. In the present study, electrical stimulation is applied on amygdala of Sprague-Dawley rats under freely moving condition when the animal fails to follow the command signals. As directional cue signals, stimulation of somatosensory barrel cortex is delivered on either of hemisphere. All the targeted brain regions such as MFB, amygdala, and barrel cortex, are stimulated through implanted custom-made microelectrodes. Three animal groups are examined depending on the strategies: 1) Group R (MFB stimulation for reward only), 2) Group P (amygdala stimulation for punishment only) and 3) Group B (stimulation on both MFB and amygdala). The effectiveness for training is quantified by measuring the success rates based on correct directional decision making. As a result, it is shown that the behavioral training using both reward and fear stimulations is more effective for locomotion control than using either of the stimulations. In addition, it is found that rats can be trained using only the punishment. Moreover, if both the punishment and the reward stimulations are used, animals can be controlled without learning process.