Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Undersøge objekt repræsentationer i makak dorsale Visual strøm ved hjælp af Single-enhed optagelser

Published: August 1, 2018 doi: 10.3791/57745
Automatic Translation
1, 1,2, 1
1Laboratorium voor Neuro-en Psychofysiologie, Katholieke Universiteit Leuven, 2The Leuven Brain Institute

Summary

En detaljeret protokol til at analysere objekt selektivitet parieto-frontal neuroner involveret i visuomotor transformationer er præsenteret.

Abstract

Tidligere undersøgelser har vist, at neuroner i parieto-frontal områder af hjernen, makak kan være yderst selektiv for virkelige verden objekter, ulighed-defineret buede overflader og billeder af virkelige verden objekter (med og uden forskel) på samme måde som beskrevet i den ventrale visuelle stream. Derudover menes parieto-frontal områder at konvertere visual objektoplysninger i passende motor udgange, såsom pre udformningen af hånden under greb. For at bedre karakterisere objekt selektivitet i det kortikale netværk involveret i visuomotor transformationer, giver vi et batteri af tests til formål at analysere visuelt objekt selektivitet af neuroner i parieto-frontal regioner.

Introduction

Menneskelige og ikke-menneskelige primater del kapacitet til at udføre komplekse motor handlinger herunder objekt grådige. For at kunne udføre disse opgaver, vores hjerne har brug at fuldføre omdannelsen af iboende objektegenskaber til motoriske kommandoer. Denne transformation er afhængig af en sofistikeret netværk af dorsale kortikale områder beliggende i parietal og ventrale premotor cortex1,2,3 (figur 1).

Vi ved fra læsion undersøgelser i aber og mennesker4,5, at den dorsale visuelle stream - med oprindelse i primære visuelle cortex og rettet mod posterior parietal cortex - er involveret i både rumlig vision og planlægning af motor handlinger. Imidlertid er størstedelen af dorsale stream områder ikke helliget en unik form for forarbejdning. For eksempel, indeholder den forreste intraparietal område (AIP), en af slutningen fase områder i den dorsale visuelle stream, en bred vifte af neuroner, der ild under fatte6,7,8, men også under visuelle inspektion af objektet7,8,9,10.

Svarende til AIP, neuroner i området F5, beliggende i den ventrale premotor cortex (PMv), også reagere i løbet af visuelle fiksering og objekt grådige, som sandsynligvis vil være vigtigt for omdannelsen af visuel information til motor handlinger11. Den forreste del af denne region (delsektoren F5a) indeholder neuroner reagerer selektivt på tre-dimensionelle (3D, ulighed-defineret) billeder12,13, mens delsektoren beliggende i Konveksitet (F5c) indeholder neuroner karakteriseret ved spejl egenskaber1,3, fyring både når et dyr udfører eller bemærker en handling. Endelig, den posteriore F5 region (F5p) er en hånd-relaterede felt, med en høj andel af visuomotor neuroner lydhøre over for både observation og fatte af 3D objekter14,15. Ved siden af F5, område 45B, beliggende i den ringere ramus af arcuate sulcus, kan også være involveret i både form forarbejdning16,17 og grådige18.

Test objekt selektivitet i parietal og frontale cortex udfordrende, fordi det er vanskeligt at afgøre hvilke funktioner disse neuroner reagerer på og hvad de receptive felter af disse neuroner er. For eksempel, hvis et neuron svarer til en plade, men ikke til en kegle, som funktion af disse objekter er drivkraften bag denne selektivitet: 2D konturen, 3D-struktur, orientering i dybden, eller en kombination af mange forskellige funktioner? For at fastslå de kritiske objekt funktioner for neuroner, der reagerer under objekt fiksering og grådige, er det nødvendigt at ansætte forskellige visuelle test ved hjælp af billeder af objekter og reduceret versioner af de samme billeder.

En betydelig brøkdel af neuroner i AIP og F5 ikke kun reagerer på den visuelle præsentation af et objekt, men også når dyret griber dette objekt i mørke (dvs. i mangel af visuel information). Sådanne neuroner kan ikke reagere på et billede af et objekt, der ikke kan udnyttes. Derfor, visuelle og motor komponenter af reaktionen er tæt forbundet, hvilket gør det vanskeligt at undersøge neuronal objekt repræsentation i disse regioner. Da visuomotor neuroner kan kun testes med virkelige verden objekter, vi har brug for et fleksibelt system for at præsentere forskellige objekter på forskellige positioner i det visuelle felt og forskellige orienteringer, hvis vi ønsker at bestemme, hvilke funktioner der er vigtigt for disse neuroner. Sidstnævnte kan kun opnås ved hjælp af en robot i stand til at præsentere forskellige objekter på forskellige steder i visuelle rum.

Denne artikel har til hensigt at give en eksperimentel guide for forskere interesseret i studiet af parieto-frontal neuroner. I de følgende afsnit, vil vi give den generelle protokol, der bruges i vores laboratorium for analysen af grådige og visuelle objekt svar i vågen makak aber (Macaca mulatta).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle tekniske procedurer blev udført i overensstemmelse med National Institute of Health's Guide til pleje og anvendelse af forsøgsdyr og EU direktiv 2010/63/EU og blev godkendt af det etiske udvalg af KU Leuven.

1. generelle metoder til ekstracellulære optagelser i vågen opfører sig aber

  1. Træne dyrene til at udføre de visuelle og motoriske opgaver, der kræves for at håndtere din specifikke forskningsspørgsmål. Sikre, at dyret er i stand til fleksibelt skifte mellem opgaver under samme optagelse session for at teste neuron udførligt og opnå en bedre forståelse af funktionerne til kørsel af neurale reaktion (figur 2-3).
    1. Træne dyret i Visually-Guided fatte (VGG; fatte 'i lys') til at vurdere de visuomotor komponenter af svaret. Bemærk: uafhængigt fra opgaven valgt, gradvist begrænse væskeindtag mindst tre dage før begyndelsen af den uddannelse fase.
      1. Dy abens hoved for hele varigheden af den eksperimentelle session.
      2. I de første møder, holde hånden kontralaterale optagelse afdeling på den hvilende stilling og hjælpe dyret til at nå og forstå objektet, giver manuel belønning efter hvert forsøg.
      3. Placer tilbage monkey's hånd på den hvilende stilling ved udgangen af hvert forsøg.
      4. Hvert par forsøg, frigive hånd af aben, og vent et par sekunder for at observere, hvis dyret indleder bevægelsen spontant.
      5. Anvend manuel belønning Reaches aben mod objektet.
      6. Når den nåede fase er erhvervet korrekt, hjælpe dyret til at løfte (eller trække) objekt og belønning manuelt.
      7. 1.1.1.4 og 1.1.1.5, frigive den abe hånd og vent et par sekunder for at observere, hvis dyret indleder bevægelsen spontant. Give belønning, når bevægelsen er udført korrekt.
      8. Rette den nå, hånd position og håndled orientering så mange gange som nødvendigt under proceduren.
      9. Gentag ovenstående trin, indtil dyret udfører sekvensen automatisk.
      10. Indlæse den automatiske opgave. Dyret bliver belønnet automatisk, når den udfører de rækkevidde og greb bevægelser for en forudbestemt tidspunkt.
      11. Gradvist øge bedrift tid for objektet.
      12. Indføre den laser, at projekter fiksering punkt i bunden af objektet. Tilføj derefter øjet tracker for at overvåge øjenhøjde omkring den objekt-til-være-fattet.
    2. Træne dyret i Memory-Guided fatte (MGG) at undersøge den motor komponent af svar, ikke berørt af den visuelle del af stimulus.
      1. Dy abens hoved.
      2. Følg de samme trin som beskrevet for VGG og sørg for, at dyret vedligeholder fiksering på laser under opgave inden for en elektronisk definerede vindue. Denne version af opgaven går lyset i slutningen af perioden fiksering.
    3. Træne abe i passiv fiksering visuelle lydhørhed og figur selektivitet.
      1. Dy abens hoved.
      2. Præsentere de visuelle stimuli til abe ved hjælp af enten en CRT (passiv fiksering af 3D stimuli) eller en LCD-skærm (passiv fiksering af 2D stimuli).
      3. Præsentere en fiksering plet i midten af skærmen, overlejret på de visuelle stimuli.
      4. Belønne dyret efter hver præsentation af stimulus og øge gradvist fiksering periode indtil nå standarderne for opgaven.
  2. Udføre kirurgi, ved hjælp af steril værktøjer, gardiner og kjoler.
    1. Bedøver dyr med ketamin (15 mg/kg, intramuskulært) og medetomidine hydrochlorid (0,01-0,04 mL/kg intramuskulært) og bekræfte anæstesi regelmæssigt ved at kontrollere, at dyret svar på stimuli, puls, åndedræt sats og blod pres.
    2. Vedligeholde generel anæstesi (propofol 10 mg/kg/h intravenøst) og administrere ilt med en trakeal tube. Brug en lanolim-baseret salve til at forhindre øjet tørhed under anæstesi.
    3. Give analgesi ved hjælp af 0,5 cc af buprenorphin (0,3 mg/ml intravenøst). I tilfælde af forhøjelse af puls under operationen, kan en ekstra dosis administreres.
    4. Implantat en MRI kompatibel hoved post med keramiske skruer og dental akryl. Udføre alle overlevelse operationer under strenge aseptiske forhold. For en passende vedligeholdelse af det sterile felt, bruge engangs sterile handsker, masker og sterile instrumenter.
    5. Styret af anatomiske magnetisk resonans imaging (Mr; Horsley-Clark koordinater), gøre en kraniotomi ovenfor område af interesse og implantat optagelse salen på monkey's kranium. Brug en standard optagelse kammer for enkelt enhed ekstracellulære optagelser eller en multielectrode microdrive, til simultan optagelse af flere neuroner.
    6. Efter kirurgi, ophøre med intravenøs administration af propofol indtil spontan vejrtrækning CV'er. Ikke efterlade dyret uden opsyn, indtil den har genvundet bevidstheden og indføre dyret i den sociale gruppe kun efter fuldstændig helbredelse.
    7. Give postoperativ analgesi, som anbefalet af den institutionelle dyrlæge; brug for eksempel Meloxicam (5mg/ml intramuskulært).
    8. Vente 6 uger efter operationen før du starter eksperimentet. Dette giver mulighed for en bedre forankring af hoved post til kraniet og garantier for, at dyret er fuldt genoprettet efter interventionen.
  3. Lokalisere området optagelse ved hjælp af MRI (for enkelt enhed ekstracellulære optagelser), og computertomografi (CT; til multielectrode optagelser).
    1. Fyld glasset kapillærer med en 2% kobber sulfat løsning og indsætte dem i en optagelse gitter.
    2. Udføre strukturelle Mr (Skive tykkelse: 0,6 mm).
  4. Overvågning af neurale aktivitet.
    1. Bruge wolfram microelectrodes med en impedans på 0,8-1 MΩ.
    2. Indsæt elektrode gennem dura ved hjælp af en 23G rustfrit stål guide tube og en hydraulisk microdrive.
    3. Spike diskriminering, forstærke og filtrere den neurale aktivitet mellem 300 og 5.000 Hz.
    4. For lokale felt potentielle (LFP) optagelser, forstærke og filtrere signalet mellem 1 og 170 Hz.
  5. Monitor øje signal
    1. Justere et infrarødt kamera foran dyrets øjne at opnå et passende billede af eleven og af cornea refleks.
    2. Bruge en infrarød-baseret kamera til at prøve elev positionen ved 500 Hz.

2. undersøge objekt selektivitet i ryggens områder

  1. Udføre visuelt guidede Grasping (VGG).
    1. Vælg den rigtige fatte setup afhængig af målet med forskning: carousel setup eller robot setup (figur 3).
    2. Opsætningen karrusellen køre VGG opgave:
      1. Lad aben placere hånden kontralaterale til den indspillede halvkugle i hvile position i komplet mørke til at indlede sekvensen.
      2. Efter en variabel tid (intertrial interval: 2.000-3.000 ms), anvende en rød laser (fiksering punkt) i bunden af objektet (afstand: 28 cm fra Abernes øjne). Hvis dyret fastholder sit blik inde en elektronisk defineret fiksering vindue (+/-2,5 °) til 500 ms, belyse objekt fra oven med en lyskilde.
      3. Efter en variabel forsinkelse (300-1500 ms), programmere en nedtoning af laser (visuel GO cue) instruere abe til at løfte hånden fra den hvilende stilling, og nå, gribe og holde objektet i en variabel interval (holding tid: 300-900 ms).
      4. Når dyret udfører hele sekvensen korrekt, belønne det med en dråbe saft.
    3. Bruge en lignende opgave sekvens for opsætningen af robot.
      1. Med hensyn til opsætningen karrusel lade aben placere hånden kontralaterale til den indspillede halvkugle i hvile position i komplet mørke til at indlede sekvensen.
      2. Efter en variabel tid (intertrial interval: 2.000-3.000 ms), lyser LED (fiksering punkt) på objektet (indefra; afstand: 28 cm fra Abernes øjne). Igen, hvis dyret fastholder sit blik inde en elektronisk defineret fiksering vindue (+/-2,5 °) til 500 ms, belyse objekt fra inden for med en hvid lyskilde.
      3. Efter en variabel forsinkelse (300-1500 ms), sluk LED (visuel GO cue), instruere abe til at løfte hånden fra den hvilende stilling, og nå, gribe og holde objektet i en variabel interval (holding tid: 300-900 ms).
      4. Når dyret udfører hele sekvensen korrekt, belønne det med en dråbe saft.
    4. I løbet af opgaven, kvantificere udførelsen af abe, under særlig hensyntagen til tidsplanen. Foranstaltning både forløbet mellem go-signal og påbegyndelsen af hånd bevægelsen (reaktionstid) og mellem begyndelsen af bevægelsen og løft af objektet (fatte tid).
  2. Udføre hukommelse-styrede Grasping (MGG; 'Fatte in the dark'). Bruge MGG opgave for at afgøre, om neuroner er visuomotor eller motor-dominerende.
    Bemærk: Rækkefølgen er samme som beskrevet for VGG, men objektet er forstået i totalt mørke.
    1. Identisk med VGG opgave, lad abe placere hånden kontralaterale til den indspillede halvkugle i hvile position i komplet mørke til at indlede sekvensen.
    2. Efter en variabel tid (intertrial interval: 2.000-3.000 ms), anvende en rød laser/LED (fiksering point) for at angive punktet fiksering (i bunden af objektet for karrusel opsætningen, i midten af objektet for robot opsætningen; afstand: 28 cm fra Abernes øjne) . Hvis dyret fastholder sit blik inde en elektronisk defineret fiksering vindue (+/-2,5 °) til 500 ms, belyse objektet.
    3. Efter en fast tid (400 ms), slukke lyset.
    4. Efter en variabel forsinkelse periode (300-1500 ms) efter lys offset, dim/sluk fiksering punkt (gå CUE) til at instruere den abe til at løfte hånden og reach, greb, og hold objektet (holding tid: 300-900 ms).
    5. Når dyret udfører hele sekvensen korrekt, give en dråbe saft som en belønning.
  3. Udføre passiv fiksering. Hvad angår VGG opgave, skal du vælge den mest hensigtsmæssige opsætning (karrusel eller robot setup) afhængig af målet med forskningen.
    Bemærk: To forskellige passive fiksering opgaver kan udføres: passiv fiksering af virkelige verden objekter (ved hjælp af de objekter-til-være-forstået i karrusel og robot opsætninger) og passiv fiksering af 3D/2D billeder af objekter.
    1. Udføre passiv fiksering af virkelige verden objekter.
      1. Præsentere fiksering punkt (rød laser nemlig den karrusel setup projiceret på bunden af objektet og røde LED i opsætningen af robot).
      2. Hvis dyret fastholder sit blik inde en elektronisk defineret fiksering vindue (+/-2,5 °) til 500 ms, belyse objekt for 2.000 ms.
      3. Hvis dyret fastholder sit blik inden for vinduet for 1.000 ms, belønne det med en dråbe saft.
    2. Udføre passiv fiksering af 3D/2D billeder af objekter.
      1. Præsentere alle visuelle stimuli på en sort baggrund (luminans 8 cd/m2) ved hjælp af en skærm (opløsning på 1.280 × 1.024 pixel) udstyret med en hurtig-henfald P46-fosfor og drives på 120 Hz (visning afstand: 86 cm).
      2. I 3D prøver præsentere stimuli stereoscopically af skiftevis venstre og højre øje billeder på en skærm (CRT-skærm), i kombination med to ferroelectric flydende krystal skodder. Find disse skodder monkey's øjne, opererer på 60 Hz og synkronisere til den lodrette retrace af skærmen.
      3. Start forsøget ved at præsentere en lille firkant i midten af skærmen (fiksering point, 0,2 × 0,2 °). Hvis øjet holdning er stadig i en elektronisk definerede 1° firkantede vindue (meget mindre end for virkelige verden objekter) for mindst 500 ms, præsentere den visuelle stimuli på skærmen, til en samlet tid på 500 ms.
      4. Når aben fastholder en stabil fiksation indtil stimulus forskydningen, belønne det med en dråbe saft.
      5. For en tilstrækkelig undersøgelse af figuren selektivitet, køre en omfattende batteri af tests med 2D-billeder under passiv fiksering opgave, i følgende rækkefølge.
      6. Køre en søgning test. Test af visuelle selektivitet cellen ved hjælp af et bredt sæt af billeder (overflade billeder; Figur 4A), herunder billeder af det objekt, der er forstået i VGG. For dette og alle efterfølgende visuelle opgaver, sammenligne billedet fremmane den stærkeste svar (såkaldte 'foretrukne billede') til et andet billede som neuron reagerer svagt (kaldet ' afspilleres billede'). Hvis neuron under undersøgelse besvarer også billeder af objekter, søge efter specifikke stimulus komponenter kører cellens lydhørhed (Contour test, Receptive Field test og reduktion test).
      7. Køre en kontur test. Fra de oprindelige overflade billeder af virkelige objekter (2D eller 3D aftryk indeholdende tekstur, skygge og perspektiv), få gradvis forenklede udgaver af den samme stimulus form (silhuetter og konturer; Figur 4B). Indsamle mindst 10 forsøg pr. tilstand for at afgøre, om neuron foretrækker den oprindelige overflade, silhuet eller disposition fra den oprindelige form.
      8. Køre en modtagelig felt (RF) test. For at kortlægge RF af en neuron, præsentere billeder af objekter på forskellige positioner på en skærm (i dette eksperiment, 35 positioner; stimulus størrelse 3 °), der dækker det centrale synsfelt19,20. For at indsamle nok stimulus gentagelser på alle mulige positioner i rimelig tid, reducere stimulus varighed (belagt stimuli; stimulus varighed: 300 ms, intertrial interval: 300 ms).
      9. Køre en reduktion test. Køre en reduktion test med kontur fragmenter præsenteret på midten af RF til at identificere de mindst effektive form funktion (MESF). Generere sæt af stimuli i Photoshop ved at beskære konturen af hver af de oprindelige kontur figurer langs de vigtigste akser (figur 3B). Design af MESF som den mindste form fragment fremkalder en reaktion, der er mindst 70% af intakte disposition svar og ikke betydeligt mindre end at svar8.
      10. For et bedre skøn over situation afhængighed (effekt af stimulus position på fragment selektivitet), køre to forskellige tests. Køre en reduktion Test med fragmenter beliggende på stillingen besat i den oprindelige skitse form. Køre en reduktion Test med fragmenter på center for massen af figuren.
      11. På dette stadium, køre en ny RF kortlægning ved hjælp af MESF.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 5 grunde svarene fra en eksempel neuron optaget fra området F5p testet med fire genstande: to forskellige figurer - en kugle og en plade-vist i to forskellige størrelser (6 og 3 cm). Denne særlige neuron reagerede ikke kun til den store kugle (optimal stimulus, øverste venstre panel), men også til den store plade (nederste venstre panel). I sammenligning, svar på de mindre objekter blev svagere (øvre og nedre højre paneler).

Figur 6 viser et eksempel neuron indspillet i AIP testet under både VGG og passive fiksering. Dette neuron var lydhør ikke kun under fatte (VGG opgave, bedømmelseskomite A) men også til den visuelle præsentation af 2D billeder af objekter præsenteret på en skærm (passiv fiksering herunder billede af de objekter, der bruges i gribe opgaven; Figur 6B). Bemærk, at den foretrukne stimulus i passiv fiksering opgave ikke er nødvendigvis den objekt-til-være-fattet, men en anden 2D billede, som dyret har ingen foregående fatte erfaring (tangerine). Figur 6 c viser RF af denne celle når testet med den foretrukne og afspilleres billede. Et eksempel på svarene fremstillet i reduktion test er vist i figur 6D. Dette eksempel neuron reagerede på de mindste fragmenter i test (1-1,5 °).

Figure 1
Figur 1. Parieto-frontal netværk involveret i visuelt objekt forarbejdning og motor planlægning og udførelse. Posterior parietal område AIP projekter til områder PFG, 45B og F5a, og derefter til F5p, M1 og endelig på rygmarven.

Figure 2
Figur 2. Beslutningstræ til test objekt selektivitet: eksperimentel protokol, der bruges til at teste visuomotor svar i vores neuronal populationer. VGG opgave kan være efterfulgt af enten en MGG eller en visuel opgave (passiv fiksering). To forskellige passive fiksering opgaver kan betragtes som afhængigt af region af interesse: passiv fiksering af virkelige verden objekter og passive fiksering af 2D billeder af objekter. Primat visuomotor system har udviklet sig til at støtte manipulation af virkelige objekter, ikke billeder af objekter6,13 , og derfor forventes det, at disse regioner med en motor dominerende bestanddel bliver betydeligt mere lydhøre over for visionen om virkelige, graspable objekter. Figur selektivitet kan dog kun udforskes i detaljer ved hjælp af en reduktion af tilgang, som lettere kan gennemføres med billeder af objekter. I opgaven 2D passiv fiksering betyder et positivt svar (der angiver visuelle selektivitet at billeder af objekter), at det er muligt at raffinere den neuronale svar endnu. Dette fører os til at køre en ny eksperimenterende opgave at udforske lavere niveau funktioner i stimulus. Derimod angiver et negativt svar i slutningen af forsøget.

Figure 3
Figur 3. Visuomotor opsætninger. (A). karrusel setup. Venstre panel: carousel design (usynlig til abe). Højre panel: detalje af carousel pladen viser objektet hen til-være-fattet og abe hånd nærmer det. Med en lodret roterende karrusel som indeholder op til seks objekter, kan vi præsentere forskellige objekter til abe. (B). Robot setup. Venstre panel: front visning af robot setup. Højre panel: detalje af de fire forskellige objekter præsenteret af robot (lille/stor tallerken, lille/stor kugle). En anden og mere sofistikeret måde at præsentere objekterne under encellede optagelser er ved hjælp af en kommerciel robotarm udstyret med en gripper. For A og B, sekvens af begivenheder er identiske i løbet af visuelle fiksering med undtagelse at i opsætningen karrusel objektet får belyst ovenfra og i opsætningen af robot objektet belyses indefra. I fasen greb forskellig opgaven lidt. Der henviser til, at i opsætningen karrusel gå CUE er angivet med dæmpning af laser; i opsætningen robot slukkes fiksering LED helt. En anden forskel refererer til en specifik funktion af både opsætninger. Mens opsætningen karrusel kan bruges hovedsageligt til at teste objekt selektivitet på en unik position i det visuelle rum, med opsætningen robot kan vi programmere afstanden som præsenteres objektet forstået at være, holdning i frontoparallel planet, eller endog fremkalde perturbationer i objektorientering under fatte (f.eks. en hurtig 45 ° rotation af objektet i den omfattende fase). Begge systemer giver mulighed for præsentation af forskellige target objekter med forskellige grasping egenskaber (størrelse, volumen, etc.), der kræver forskellige grasping strategier (power greb kontra præcision greb). (C). eksempel på en VGG opgave (karrusel setup). 1. fiksering: I vores karrusel VGG opgave, aben placerer de kontralaterale hånd på en hvilende stilling enheden skal indlede sekvensen. Næste, en laser er projiceret på den objekt-til-være-greb, som forbliver i totalt mørke. 2. lys på: hvis dyret fastholder stabil fiksation omkring en elektronisk definerede vindue omkring objektet i et specifikt tidsinterval, objektet er belyst af en ekstern lyskilde (visuelle fase af opgaven). Endelig, efter en variabel forsinkelse, laser dæmpes, fungerer som en visuel GO cue og angivelse til abe til at indlede den grådige bevægelse. Dyret er belønnet for at nå, gribe og løfte objektet (opdaget af fiberoptiske kabler).

Figure 4
Figur 4. Visuelle stimuli. (A). eksempel på den stimulus, der bruges til at vurdere visuel form selektivitet. (B). fra de oprindelige overflade billeder i A producerer vi gradvis forenklede udgaver af de visuelle stimuli (3D overflader, 2D overflader, silhuetter, dispositioner og fragmenter). Ved at dividere skitsen i mindre segmenter, søger vi for de mindst effektive form funktion (MESF), fremmane visuelle selektivitet.

Figure 5
Figur 5. VGG opgave testet med opsætningen af robot (robot setup i figur 3B). Vi præsenteres fire forskellige objekter på den samme position i dybde: stor kugle (øverst til venstre), store plade (nederst til venstre), lille plade (nederst til højre) og lille kugle (øverst til højre). Den neuronale svar er justeret til lys debut i objektet (bin størrelse af 20 ms).

Figure 6
Figur 6. AIP neuron registreres ved hjælp af VGG (greb på karrusellen) og passiv fiksering opgaver. (A). aktivitet under fatte. Peristimulus-tid histogrammet viser svar af en AIP neuron (neuronal svar justeret til lys debut på objektet). (B). visuel svar af samme neuron når testet med en lang række 2D-billeder af virkelige verden objekter, herunder et billede af den objekt hen til-være-forstået (i to forskellige retninger: vandret og lodret). (C). modtagelig felttilknytning. 2D interpoleret maps repræsenterer den gennemsnitlige svar de foretrukne (venstre) og afspilleres (højre) stimuli for neuron i A og B når testet med 3° billeder af objekter. For at opbygge kortene, vi kvantificeret den netto neuronal svar (ved at fratrække den oprindelige aktivitet) opnået på 35 forskellige positioner på skærmen (angivet med kryds af de stiplede gitterlinjer; [0,0]: central position; + 6 ° Azimut: kontralaterale), fordelt 2 ° fra hinanden og dækker både ipsi- og kontralaterale visuelle hemifields. Farven angiver styrken af de neurale reaktion (varierende mellem 0 og den maksimale svar af cellen). (D). farve træ plot repræsenterer de normaliserede netto svar (fyring sats minus baseline aktivitet) af den samme neuron som i figur 6A-C til den foretrukne og afspilleres stimulus (konturerne af det foretrukne og afspilleres billede) i standard reduktion test (reduktion test med fragmenter beliggende på stillingen besat på den oprindelige skitse form 4-fragment stimuli, første række 8-fragment stimuli, anden række; 16-fragment stimuli, tredje række). Farve i hver cirkel angiver svar størrelsesorden (1 = 28 pigge/s).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

En omfattende tilgang til studiet af den dorsale stream kræver en omhyggelig udvælgelse af adfærdsmæssige opgaver og visuelle tests: visuelle og grådige paradigmer kan være ansat enten samlet eller særskilt afhængigt af de specifikke egenskaber af regionen.

I denne artikel, vi giver eksempler på den neurale aktivitet registreret i både AIP og F5p som svar på en delmængde af visuelle og motoriske opgaver, men meget lignende svar kan observeres i andre frontal områder som området 45B og F5a.

Vi foreslår to eksperimentelle opsætninger for at undersøge de neurale repræsentation af objekter under fatte. Med en lodret roterende karrusel (figur 3A) der indeholder op til seks objekter, kan vi præsentere forskellige objekter til abe. Den roterende karrusel tillader præsentation af forskellige target objekter (forskellige i form, størrelse, volumen, etc.), der kræver forskellige grasping strategier (power greb kontra præcision greb).

En anden og mere sofistikeret måde at præsentere objekter under encellede optagelser er ved hjælp af en kommerciel robotarm og gripper (figur 3B). I dette tilfælde indleder robotten retssagen ved at gribe et objekt (figur 3B) og flytte den til en bestemt position i rummet i total mørke, mens monkey's hånd forbliver på den hvilende stilling. Udover dette er rækkefølgen af hændelserne identiske i de to opsætninger. Men brugen af en robot giver en bred manipulation af eksperimentelle parametre (afstand hvor objektet er uddelt, position i frontoparallel planet eller orientering af objektet). Endelig, som vist i det højre panel i figur 3B, robotten kan også programmeres til at forstå forskellige objekter (plade og kugle i vores tilfælde).

Denne eksperimentelle tilgang giver mulighed for fastlæggelse af den objekt egenskaber kørsel visuomotor neuroner, der reagerer på objekt observation under fatte. Denne tilgang har imidlertid også begrænsninger. Med hver test, nogle neuroner vil blive udelukket fra videre afprøvning (f.eks. ingen svar til billeder af objekter, ingen kontur selektivitet), så konklusionerne fra eksperimentet kan kun vedrører en delmængde af alle neuroner viser opgaverelateret aktivitet under fatte. Dog, i vores tidligere undersøgelser8, det store flertal (83%) af neuroner viser visuelle svar til objektet observation under fatte også reagerer selektivt at billeder af objekter, og det store flertal af de sidstnævnte neuroner (90%) var også selektiv for contour versioner af disse billeder. Derfor kan vores prøvningsprotokol være passende for en meget stor del af alle visuelt responsive neuroner i parietal og frontale cortex.

Nogle visuomotor neuroner, sandsynligvis i flere motor-relateret delsektorer i den frontale cortex som område F5p, kan kun reagere på objekter i forbindelse med en grasping opgave, og aldrig svare på billeder af objekter (selv med kikkert forskel) præsenteret på en display. Vi kan alligevel undersøge egenskaberne for denne delpopulation af neuroner ved hjælp af robotten. Med dette eksperimentelle setup, kan vi præsentere objekter på forskellige steder i frontoparallel planet under passiv fiksering (svarer til en RF test), på forskellige 3D retningslinjer og på forskellige afstande fra dyret, og vi kan kombinere saccadic øje bevægelser mod objektet med objekt grådige21.

Vores hensigt er ikke at give en enkelt eller stive forsøgsplan for studiet af parieto-frontal neuroner, men at understrege nødvendigheden af en omfattende og dynamisk tilgang, med opgaver og test er udviklet specielt til neuroner under undersøgelsen. Med hensyn til visuelle selektivitet, for eksempel kan vores protokol være let tilpasses til studiet af andre visuelle egenskaber af neuroner reagerer på objekter. For eksempel, vi har fulgt en meget lignende tilgang når undersøger 3D selektivitet i F5a12 og AIP neuroner13 under fatte. Vi har også kombineret grasping udførelse og detaljerede visuelle test med videoer af handlinger, når undersøger handling observation svar i AIP22. På samme måde, kunne mange andre eksperimentelle opgaver, ikke er medtaget her, føjes også til vores protokol afhængigt af de videnskabelige spørgsmål. Disse opgaver omfatter undersøgelse af både rent fysiske karakteristika af stimulus (fx stimulus størrelse) og kognitive aspekter såsom stimulus kendskab23 eller biologisk relevans (præference for figurer, som er biologisk relevante såsom ansigter24).

Yderligere undersøgelser i disse områder vil give en bedre forståelse af netværket og gør det muligt at raffinere typen af protokoller, der skal bruges.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Vi takker Inez Puttemans, Marc De Paep, Sara De Pril, Wouter Depuydt, Astrid Hermans, Piet Kayenbergh, Gerrit Meulemans, Christophe Ulens og Stijn Verstraeten for teknisk og administrativ bistand.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Grasping robot GIBAS Universal Robots UR-6-85-5-A Robot arm equipped with a gripper
Carousel motor Siboni RD066/†20 MV6, 35x23 F02 Motor to be implemented in a custom-made vertical carousel. It allows the rotation of the carousel.
Eye tracker SR Research EyeLink II Infrared camera system sampling at 500 Hz
Filter Wavetek Rockland 852 Electronic filters perform a variety of signal-processing functions with the purpose of removing a signal's unwanted frequency components.
Preamplifier BAK ELECTRONICS, INC. A-1 The Model A-1 allows to reduce input capacity and noise pickup and allows to test impedance for metal micro-electrodes
Electrodes FHC UEWLEESE*N4G Metal microelectrodes (* = Impedance, to be chosen by the researcher)
CRT monitor Vision Research Graphics M21L-67S01 The CRT monitor is equipped with a fast-decay P46-phosphor operating at 120 Hz
Ferroelectric liquid crystal shutters Display Tech FLC Shutter Panel; LV2500P-OEM The shutters operate at 60 Hz in front of the monkeys and are synchronized to the vertical retrace of the monitor

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Gallese, V., Fadiga, L., Fogassi, L., Rizzolatti, G. Action recognition in the premotor cortex. Brain. 119 (2), 593-609 (1996).
  2. Fogassi, L., Gallese, V., Buccino, G., Craighero, L., Fadiga, L., Rizzolatti, G. Cortical mechanism for the visual guidance of hand grasping movements in the monkey: a reversible inactivation study. Brain. 124 (3), 571-586 (2001).
  3. Rizzolatti, G., Camarda, R., Fogassi, L., Gentilucci, M., Luppino, G., Matelli, M. Functional organization of inferior area 6 in the macaque monkey. II. Area F5 and the control of distal movements. Exp. Brain Res. 71 (3), 491-507 (1988).
  4. Mishkin, M., Ungerleider, L. G. Contribution of striate inputs to the visuospatial functions of parieto-preoccipital cortex in monkeys. Behav. Brain Res. 6 (1), 57-77 (1982).
  5. Goodale, M. A., Milner, A. D. Separate visual pathways for perception and action. Trends Neurosci. 15 (1), 20-25 (1992).
  6. Baumann, M. A., Fluet, M. C., Scherberger, H. Context-specific grasp movement representation in the macaque anterior intraparietal area. J. Neurosci. 29 (20), 6436-6438 (2009).
  7. Murata, A., Gallese, V., Luppino, G., Kaseda, M., Sakata, H. Selectivity for the shape, size, and orientation of objects for grasping neurons of monkey parietal area AIP. J. Neurophysiol. 83 (5), 2580-2601 (2000).
  8. Romero, M. C., Pani, P., Janssen, P. Coding of shape features in the macaque anterior intraparietal area. J. Neurosci. 34 (11), 4006-4021 (2014).
  9. Sakata, H., Taira, M., Kusonoki, M., Murata, A., Tanaka, Y., Tsutsui, K. Neural coding of 3D features of objects for hand action in the parietal cortex of the monkey. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 353 (1373), 1363-1373 (1998).
  10. Taira, M., Mine, S., Georgopoulos, A. P., Murata, A., Sakata, H. Parietal cortex neurons of the monkey related to the visual guidance of the hand movement. Exp Brain Res. 83 (1), 29-36 (1990).
  11. Janssen, P., Scherberger, H. Visual guidance in control of grasping. Annu. Rev. Neurosci. 8 (38), 69-86 (2015).
  12. Theys, T., Pani, P., van Loon, J., Goffin, J., Janssen, P. Selectivity for three-dimensional contours and surfaces in the anterior intraparietal area. J. Neurophysiol. 107 (3), 995-1008 (2012).
  13. Goffin, J., Janssen, P. Three-dimensional shape coding in grasping circuits: a comparison between the anterior intraparietal area and ventral premotor area F5a. J. Cogn. Neurosci. 25 (3), 352-364 (2013).
  14. Raos, V., Umiltá, M. A., Murata, A., Fogassi, L., Gallese, V. Functional properties of grasping-related neurons in the ventral premotor area F5 of the macaque monkey. J. Neurophysiol. 95 (2), 709-729 (2006).
  15. Umilta, M. A., Brochier, T., Spinks, R. L., Lemon, R. N. Simultaneous recording of macaque premotor and primary motor cortex neuronal populations reveals different functional contributions to visuomotor grasp. J. Neurophysiol. 98 (1), 488-501 (2007).
  16. Denys, K., et al. The processing of visual shape in the cerebral cortex of human and nonhuman primates: a functional magnetic resonance imaging study. J. Neurosci. 24 (10), 2551-2565 (2004).
  17. Theys, T., Pani, P., van Loon, J., Goffin, J., Janssen, P. Selectivity for three-dimensional shape and grasping-related activity in the macaque ventral premotor cortex. J.Neurosci. 32 (35), 12038-12050 (2012).
  18. Nelissen, K., Luppino, G., Vanduffel, W., Rizzolatti, G., Orban, G. A. Observing others: multiple action representation in the frontal lobe. Science. 310 (5746), 332-336 (2005).
  19. Janssen, P., Srivastava, S., Ombelet, S., Orban, G. A. Coding of shape and position in macaque lateral intraparietal area. J. Neurosci. 28 (26), 6679-6690 (2008).
  20. Romero, M. C., Janssen, P. Receptive field properties of neurons in the macaque anterior intraparietal area. J. Neurophysiol. 115 (3), 1542-1555 (2016).
  21. Decramer, T., Premereur, E., Theys, T., Janssen, P. Multi-electrode recordings in the macaque frontal cortex reveal common processing of eye-, arm- and hand movements. Program No. 495.15/GG14. Neuroscience Meeting Planner. , Washington DC: Society for Neuroscience. Online (2017).
  22. Pani, P., Theys, T., Romero, M. C., Janssen, P. Grasping execution and grasping observation activity of single neurons in macaque anterior intraparietal area. J. Cogn. Neurosci. 26 (10), 2342-2355 (2014).
  23. Turriziani, P., Smirni, D., Oliveri, M., Semenza, C., Cipolotti, L. The role of the prefrontal cortex in familiarity and recollection processes during verbal and non-verbal recognition memory. Neuroimage. 52 (1), 469-480 (2008).
  24. Tsao, D. Y., Schweers, N., Moeller, S., Freiwald, W. A. Patches of faces-selective cortex in the macaque frontal lobe. Nat. Neurosci. 11 (8), 877-879 (2008).

Tags

Neurovidenskab spørgsmålet 138 form dorsale visuelle stream makak grådige fiksering modtagelige felt enkelt celle optagelse
Undersøge objekt repræsentationer i makak dorsale Visual strøm ved hjælp af Single-enhed optagelser
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Caprara, I., Janssen, P., Romero, M. … More

Caprara, I., Janssen, P., Romero, M. C. Investigating Object Representations in the Macaque Dorsal Visual Stream Using Single-unit Recordings. J. Vis. Exp. (138), e57745, doi:10.3791/57745 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter