Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

חוקרים ייצוגי האובייקט בזרם Visual הגבי מקוק באמצעות הקלטות יחיד-יחידה

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

פרוטוקול מפורט כדי לנתח אובייקט סלקטיביות של נוירונים חזיתי parieto מעורב העתקות visuomotor מוצג.

Abstract

מחקרים קודמים הראו כי הנוירונים באזורים parieto-המצחית של המוח מקוק יכול להיות סלקטיבי מאוד עבור אובייקטים בעולם האמיתי, המוגדרת על-ידי פער המשטחים הקעורים ותמונות של אובייקטים בעולם האמיתי (עם ובלי פער) באופן דומה כמו תיאר בזרם חזותי הגחון. בנוסף, אזורים parieto-המצח הם האמינו להמרת מידע אובייקט ויזואלי פלטי המנוע המתאים, כגון מראש עיצוב של היד במהלך האוחז. כדי לאפיין טוב יותר סלקטיביות עצם קורטיקלית ברשת מעורב visuomotor המרות, אנו מספקים שורה של בדיקות שנועדו לנתח את מידת הבררנות אובייקט ויזואלי של נוירונים באזורי המצח parieto.

Introduction

פרימטים אנושיות ולא אנושיות לשתף את הקיבולת של ביצוע פעולות מוטוריות מורכבות כולל עצם האוחז. כדי לבצע בהצלחה משימות אלה, המוח שלנו צריך להשלים את השינוי של מאפייני אובייקט פנימי לתוך פקודות מוטוריות. השינוי הזה מסתמך על רשת מתוחכמת של אזורים קורטיקליים הגבי ממוקם הקודקוד, הגחון קליפת premotor1,2,3 (איור 1).

ממחקרים הנגע קופים ובני4,5, אנו יודעים כי הזרם הגבי חזותי - שמקורם קליפת הראיה העיקרית, מכוונים קליפת הקודקודית האחורי - מעורב ראייה מרחבית, תכנון מנוע פעולות. עם זאת, הרוב המכריע של אזורים הגבי לא מוקדשים סוג ייחודי של עיבוד. למשל, האזור intraparietal הקדמי (AIP), באחד האזורים שלב סיום בהזרם הגבי חזותי, מכיל מגוון של נוירונים האש לא רק במהלך האוחז6,7,8, אבל גם במהלך את התמונה בדיקה של9,108,7,אובייקט.

בדומה AIP, נוירונים באזור F5, הממוקמת בקליפת premotor הגחוני (PMv), גם להגיב במהלך חזותי קיבעון האובייקט האוחז, אשר עשוי להיות חשוב עבור השינוי של מידע חזותי לתוך פעולות מוטוריות11. החלק הקדמי של האזור (subsector F5a) מכיל נוירונים להגיב באופן סלקטיבי תלת מימדי (3D, המוגדרת על-ידי פער) תמונות12,13, בזמן subsector ממוקם על קמירות (F5c) מכיל נוירונים מאופיין במראה מאפיינים1,3, ירי הן כאשר חיה מבצעת או מתבונן פעולה. בסופו של דבר, האזור האחורי F5 (F5p) הוא שדה הקשורות יד, עם שיעור גבוה של מגיבים הן תצפית visuomotor נוירונים ואוחז של עצמים תלת-ממדיים14,15. ליד F5, אזור 45B, ממוקם ramus נחות של sulcus מקושת, יכול גם להיות מעורבים גם צורת עיבוד16,17 וגם וותרו18.

בדיקות אובייקט סלקטיביות בקליפת הקודקוד, חזיתית הוא מאתגר, כי זה קשה לקבוע אילו תכונות הנוירונים הללו להגיב ומהם השדות פתוחים לרעיונות של נוירונים אלה. לדוגמה, אם נוירון מגיב צלחת אך לא חרוט, איזו תכונה של אובייקטים אלה הוא נוהג הסלקטיביות הזאת: קו המתאר 2D, מבנה תלת-ממדי, כיוון לעומק או שילוב של תכונות שונות רבות? כדי לקבוע את התכונות אובייקט קריטי עבור נוירונים שמגיבים במהלך קיבעון האובייקט ואוחז, זה הכרחי להעסיק בדיקות חזותית שונות באמצעות תמונות של עצמים וגירסאות מופחתת של אותן תמונות.

חלק נכבד של הנוירונים ב- AIP ו- F5 לא רק מגיב ההצגה החזותית של האובייקט, אלא גם כאשר החיה תופס אובייקט זה בחושך (קרי, בהיעדר מידע חזותי). נוירונים כאלה עשויים שלא להגיב תמונה, אובייקט שלא ניתן לתפיסה. לפיכך, רכיבים חזותיים, מנוע של התגובה קשורים, מה שהופך את זה קשה לחקור את ייצוג אובייקט העצבית באזורים אלה. מאז הנוירונים visuomotor לבדוק רק עם אובייקטים בעולם האמיתי, אנחנו צריכים מערכת גמישה להצגת אובייקטים שונים לעבר עמדות שונות בשדה הראייה, נטיות שונות, אם אנחנו רוצים לקבוע אילו תכונות חשובות אלו נוירונים. האחרון תושג רק באמצעות רובוט מסוגל הצגת אובייקטים שונים במקומות שונים בחלל חזותי.

מאמר זה מתכוונת לספק מדריך ניסיוני עבור חוקרים גם במחקר של נוירונים parieto בעירום. בסעיפים הבאים, אנו נספק פרוטוקול כללי שמשמש במעבדה שלנו לניתוח של תגובות אובייקט וותרו וחזותית, קופי מקוק ער (מאכאכה mulatta).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כל הליכים טכניים בוצעו לפי המדריך המכון הלאומי לבריאות של טיפול, שימוש של חיות מעבדה, להנחיית האיחוד האירופי 2010/63/האיחוד האירופי ואושרו על-ידי הוועדה האתית של לופן KU.

1. כללי שיטות להקלטות חוץ-תאית בקופים מתנהג ער

  1. רכבת החיות כדי לבצע את המשימות חזותי, מנוע נדרש להתייחס לשאלתך מחקר ספציפי. ודא כי החיה מסוגל לעבור בגמישות בין פעילויות במהלך אותו סשן ההקלטה על מנת לבחון את הנוירון בהרחבה, להשיג הבנה טובה יותר של תכונות נהיגה את התגובה העצבית (איור 2-3).
    1. לאמן את החיה הלפיתה Visually-Guided (VGG; נאחז "אור") כדי להעריך את הרכיבים visuomotor של התגובה. הערה: באופן עצמאי של הפעילות שנבחרה, בהדרגה להגביל את צריכת הנוזלים לפחות שלושה ימים לפני תחילת שלב ההכשרה.
      1. לרסן את הראש של הקוף למשך כל ההפעלה הניסיונית.
      2. במושבים הראשון, להחזיק את היד contralateral לחדר ההקלטה במיקום מנוחתו ולעזור החיה כדי להגיע, תופסים את האובייקט, נותן גמול ידנית לאחר כל ניסיון.
      3. במקום חזרה יד של הקוף על המיקום מנוחה בסוף כל משפט.
      4. כל כמה ניסויים, לשחרר את ידו של הקוף, המתן מספר שניות כדי לבחון אם החיה יוזם את התנועה באופן ספונטני.
      5. החל פרס ידנית בכל פעם הקוף מגיע כלפי האובייקט.
      6. כאשר שלב להשיג שנרכש כראוי, לעזור החיה הרם (או להוציא) את האובייקט ואת הפרס באופן ידני.
      7. 1.1.1.4, 1.1.1.5, לשחרר את היד של הקוף, המתן מספר שניות כדי לבחון אם החיה יוזם את התנועה באופן ספונטני. לתת פרס בכל פעם התנועה מתבצע כראוי.
      8. תקן מתוכניות, יד מיקום וכיוון היד כמה פעמים לפי הצורך במהלך ההליך.
      9. חזור על השלבים שלעיל עד כשהחיה מבצעת את הרצף באופן אוטומטי.
      10. לטעון את הפעילות האוטומטית. החיה מקבל תמורה אוטומטית בעת ביצוע של תנועות יד, תפיסה במשך זמן מוגדר מראש.
      11. הארך בהדרגה את זמן המעצר של האובייקט.
      12. מציגים את הלייזר המקרין את נקודת קיבוע בבסיס של האובייקט. להוסיף אז עין המעקב לעקוב אחר מיקום העין סביב האובייקט-כדי-ניתן-לתפיסה.
    2. הרכבת החיה ב Memory-Guided האוחז (MGG) כדי לחקור את הרכיב מנוע של התגובה, אינם מושפעים המרכיב החזותי של הגירוי.
      1. לרסן את הראש של הקוף.
      2. לבצע את אותן הפעולות המתוארות עבור VGG מוודא כי החיה שומרת על קיבוע על הלייזר במהלך הפעילות בתוך חלון מוגדר באופן אלקטרוני. עבור גירסה זו של הפעילות, האור הולך בסוף תקופת קיבוע.
    3. הרכבת הקוף ב קיבוע פסיבי לטפל תגובתיות חזותיים צורת סלקטיביות.
      1. לרסן את הראש של הקוף.
      2. מציג את באנימציה הקוף באמצעות CRT (פסיבית קיבוע של גירויים 3D) או צג LCD (פסיבית קיבוע של גירויים 2D).
      3. להציג את מקום פיקסציה במרכז המסך, יונחו על גירויים חזותיים.
      4. לגמול את החיה לאחר כל מצגת הגירוי ולהגדיל בהדרגה תקופת קיבוע עד שהגיע בסטנדרטים של הפעילות.
  2. לבצע ניתוח, באמצעות כלי סטרילי, ווילונות ושמלות.
    1. עזים ומתנגד החיה עם קטמין (15 מ"ג/ק"ג, intramuscularly), medetomidine הידרוכלוריד (0.01-0.04 מ"ל/ק"ג intramuscularly), לאשר את ההרדמה באופן קבוע על-ידי בדיקה בתגובה של החיה לגירויים, קצב הלב, קצב הנשימה והדם לחץ.
    2. לשמור על הרדמה כללית (propofol 10 מ ג/ק ג/שעה לווריד) ולפקח חמצן עם צינור הנשימה. השתמש משחה המבוססת על lanolim למניעת יובש בעין תחת הרדמה.
    3. לספק שיכוך כאבים באמצעות 0.5 cc. הבופרנורפין (0.3 מ"ג/מ"ל לווריד). במקרה של גידול של קצב הלב במהלך הניתוח, מינון נוסף יכולה להינתן.
    4. שתל למוצב תואם MRI ראש עם ברגים קרמיקה אקריליק שיניים. לבצע ניתוחים כל ההישרדות בתנאים מחמירים אספטי. לתחזוקה נאותה של שדה סטרילי, להשתמש בכפפות חד פעמיות סטריליות, מסכות וכלי נגינה סטרילי.
    5. בהדרכת אנטומי תהודה מגנטית (MRI; קואורדינטות Horsley-Clark), להכין גולגולת מעל האזור בעל עניין, שתל תא הקלטה על הגולגולת של הקוף. השתמש חדר הקלטה סטנדרטיים עבור הקלטות חוץ-תאית יחידה או microdrive multielectrode, עבור ההקלטה סימולטני של נוירונים מרובים.
    6. לאחר הניתוח, להפסיק את עירוי לוריד אחליט עד ספונטנית נושם קורות חיים. לא להשאיר את החיה ללא השגחה עד זה שהכרתו ולהציג את החיה בקבוצה חברתית רק לאחר התאוששות מלאה.
    7. לספק שיכוך כאבים לאחר הניתוח כפי שהומלץ על ידי הוטרינר מוסדיים; שימוש לדוגמה Meloxicam (5 מ"ג/מ"ל intramuscularly).
    8. לחכות 6 שבועות אחרי הניתוח לפני תחילת הניסוי. דבר זה מאפשר "אנקורג" טוב יותר של הפוסט בראש הגולגולת, ערבויות כי החיה התאושש באופן מלא מפני ההתערבות.
  3. בתרגום לאזור ההקלטה באמצעות MRI (להקלטות חוץ-תאית יחידה) ו טומוגרפיה (CT; להקלטות multielectrode).
    1. מילוי נימים זכוכית עם פתרון 2% נחושת גופרתית והכנס אותם לתוך רשת הקלטה.
    2. לבצע MRI מבניים (פורסים בעובי: 0.6 מ"מ).
  4. פיקוח על פעילות עצבית.
    1. השתמש microelectrodes טונגסטן עכבה של 0.8-1 MΩ.
    2. הכנס האלקטרודה דרך השכבה הקשה של המוח באמצעות צינור מדריך נירוסטה 23 גרם microdrive הידראולי.
    3. ספייק אפליה, להגביר, לסנן את הפעילות העצבית בין 300 ו- 5000 Hz.
    4. להקלטות (LFP) פוטנציאל שדה מקומי, להגביר ולסנן את האות בין 1 ל- 170 הרץ.
  5. הצג האות עין
    1. להתאים את מצלמת אינפרא-אדום מול העיניים של החיה כדי לקבל תמונה הולמת של התלמיד ושל את הקרנית.
    2. השתמש מצלמת אינפרא-אדום מבוסס כדי לדגום את מיקום התלמיד ב- 500 הרץ.

2. חוקרים אובייקט סלקטיביות באזורים הגבי

  1. לבצע וותרו מונחה באופן חזותי (VGG).
    1. לבחור זכות האוחז ההתקנה בהתאם מטרת המחקר: קרוסלה התקנה או התקנה רובוט (איור 3).
    2. עבור ההתקנה קרוסלה, להפעיל את המשימה VGG:
      1. תן את הקוף מחזירים את היד contralateral על הכדור מוקלטות במצב מנוחה בחושך מוחלט ליזום את הרצף.
      2. לאחר זמן משתנה (מרווח intertrial: 2,000-3,000 ms), להחיל לייזר אדום (נקודת קיבוע) בבסיס של האובייקט (מרחק: 28 ס מ העיניים קופים). אם החיה שומר על מבטה בתוך חלון אלקטרונית מוגדרת על-ידי קיבעון (± 2.5°) עבור 500 ms, להאיר את האובייקט מלמעלה עם מקור אור.
      3. לאחר עיכוב משתנה (ms 300-1500), תכנית של עמעום של הלייזר (מושג ללכת חזותי) להדריך את הקוף להרים את היד מן המיקום, והוא יד, לתפוס ולהחזיק את האובייקט עבור מרווח משתנה (מחזיק זמן: ms 300-900).
      4. בכל פעם כשהחיה מבצעת את הרצף כולו כראוי, לתגמל אותו עם טיפת מיץ.
    3. השתמש רצף פעילות דומה עבור ההתקנה רובוט.
      1. לגבי הגדרת קרוסלה, תן את הקוף מחזירים את היד contralateral על הכדור מוקלטות במצב מנוחה בחושך מוחלט ליזום את הרצף.
      2. לאחר זמן משתנה (מרווח intertrial: 2,000-3,000 ms), נדלקת נורית ה-LED (נקודת קיבוע) על האובייקט (מבפנים; מרחק: 28 ס מ העיניים קופים). שוב, אם החיה שומר על מבטה בתוך חלון אלקטרונית מוגדרת על-ידי קיבעון (± 2.5°) עבור 500 ms, להאיר את האובייקט מפני בתוך עם מקור אור לבן.
      3. לאחר עיכוב משתנה (ms 300-1500), לכבות את ה-LED (מושג ללכת חזותי), להדריך את הקוף להרים את היד מן המיקום, והוא יד, לתפוס ולהחזיק את האובייקט עבור מרווח משתנה (מחזיק זמן: ms 300-900).
      4. בכל פעם כשהחיה מבצעת את הרצף כולו כראוי, לתגמל אותו עם טיפת מיץ.
    4. במהלך הפעילות, לכמת את הביצועים של הקוף, תשומת לב מיוחדת לעיתוי. מדד שני שהזמן שחלף בין האות-קדימה ואת תחילתה של תנועת היד (זמן תגובה), ובין תחילת התנועה המעלית של האובייקט (אוחז זמן).
  2. לבצע וותרו מונחה זיכרון (MGG; 'אוחז בחושך"). שימוש הפעילות MGG כדי לקבוע אם הנוירונים visuomotor או מנוע-הדומיננטי.
    הערה: הרצף דומה לזה המתואר לשם VGG, אך האובייקט הוא אחז בחשיכה מוחלטת.
    1. זהה לפעילות VGG, תן הקוף הניחו את היד contralateral על הכדור מוקלטות במצב מנוחה בחושך מוחלט ליזום את הרצף.
    2. לאחר זמן משתנה (מרווח intertrial: 2,000-3,000 ms), להחיל אדום לייזר/נורית (נקודת קיבוע) כדי לציין את נקודת קיבוע (בבסיס של האובייקט עבור ההתקנה קרוסלה, במרכז של האובייקט עבור ההתקנה רובוט; מרחק: 28 ס מ העיניים קופים) . אם החיה שומר על מבטה בתוך חלון אלקטרונית מוגדרת על-ידי קיבעון (± 2.5°) עבור 500 ms, להאיר את האובייקט.
    3. לאחר זמן קבוע (400 ms), כבה את האור.
    4. לאחר עיכוב משתנה תקופה (ms 300-1500) בעקבות האור לקזז, דים/מתג קשור לעניין קיבוע (ללכת CUE) להורות את הקוף להרים את היד, יד, תפיסה, והחזק את האובייקט (מחזיק זמן: ms 300-900).
    5. בכל פעם כשהחיה מבצעת את הרצף כולו כראוי, נותן טיפת מיץ כפרס.
  3. לבצע קיבוע פסיבי. לגבי הפעילות VGG, בחר את ההגדרה המתאימה ביותר (קרוסלה או רובוט התקנה) בהתאם מטרת המחקר.
    הערה: שתי פעילויות שונות קיבוע פסיבי יכול להתבצע: קיבוע פסיבי של אובייקטים בעולם האמיתי (שימוש של אובייקטים-כדי--לתופשו setups הקרוסלה והרובוט), קיבוע פסיבי של תמונות תלת-ממד/דו-ממדי של אובייקטים.
    1. לבצע קיבוע פסיבי של אובייקטים בעולם האמיתי.
      1. להציג את נקודת קיבוע (לייזר אדומה עבור ההתקנה קרוסלה המתוכנן בבסיס של אובייקט ו- LED אדום בכיוונון הרובוט).
      2. אם החיה שומר על מבטה בתוך חלון אלקטרונית מוגדרת על-ידי קיבעון (± 2.5°) עבור 500 ms, להאיר את האובייקט עבור 2,000 ms.
      3. אם החיה שומר על מבטה בתוך החלון עבור ms 1000, לתגמל אותו עם טיפת מיץ.
    2. לבצע קיבוע פסיבי של תמונות תלת-ממד/דו-ממדי של אובייקטים.
      1. להציג את כל גירויים חזותיים על רקע שחור (זוהר של 8 cd/m2) באמצעות צג (רזולוציה של-1280 × 1,024 פיקסלים) מצוידים P46-זרחן מהיר-דעיכה ומופעל ב-120 Hz (הצגת המרחק: 86 ס מ).
      2. בבדיקות תלת-ממד, להציג את הגירויים stereoscopically לסירוגין את התמונות עין ימין ועל שמאל על-גבי צג (צג CRT), בשילוב עם שני תריסים גביש נוזלי ferroelectric. לאתר תריסים אלה מול העיניים של הקוף, פועלים בתדר 60hz וסנכרן כדי לשחזר אנכי של הצג.
      3. להתחיל את המשפט על ידי הצגת ריבוע קטן במרכז המסך (נקודת קיבוע; 0.2 ° × 0.2 °). אם מיקום העין נותר בתוך אלקטרונית מוגדרת 1° מרובע חלון (הרבה יותר קטן מאשר עבור אובייקטים בעולם האמיתי) לפחות 500 ms, להציג את הגירוי החזותי על המסך, במשך הזמן הכולל של 500 ms.
      4. כאשר הקוף שומרת על קיבוע יציבה עד ההיסט גירוי, לתגמל אותו עם טיפת מיץ.
      5. למחקר הולם של צורה סלקטיביות, להפעיל סדרת בדיקות מקיפה עם תמונות דו-ממד במהלך הפעילות קיבוע פסיבי, ברצף הבא.
      6. מבצע בדיקה חיפוש. לבדוק את מידת הבררנות חזותי של התא באמצעות קבוצת רחב תמונות (תמונות השטח; איור 4A), כולל התמונות של האובייקט שעליו הוא אחז VGG. על כך ועל כל הפעילויות העוקבות חזותי, להשוות את התמונה לעורר את התגובה החזקה (הנקרא 'תמונה מועדפת') בתמונה השנייה שבה הנוירון מגיבה בחולשה (הנקרא ' nonpreferred' תמונה). אם הנוירון שנבחנה מגיב גם לתמונות של אובייקטים, לחפש רכיבי גירוי ספציפי נהיגה ההיענות של התא (מתאר בדיקה, בדיקת שדה קלט של הפחתת הבדיקה).
      7. מבצע בדיקה מתאר. מן התמונות השטח המקורי של אובייקטים אמיתיים (2D או 3D תמונות המכילות מרקם, הצללה, פרספקטיבה), להשיג גירסאות בהדרגה מפושטת של הגירוי באותה הצורה (צלליות ובחלוקה; איור 4B). לאסוף לפחות 10 ניסויים לכל תנאי על מנת לקבוע אם הנוירון מעדיף השטח המקורי, הצללית או קו המתאר של הצורה המקורית.
      8. הפעל את בדיקת שדה קלט (RF). כדי למפות את RF של נוירון, להציג התמונות של חפצים לעבר עמדות שונות על-גבי צג (בניסוי זה, עמדות 35; גירוי בגודל של 3°), מכסה את שדה הראיה המרכזית19,20. לאסוף מספיק חזרות גירוי-כל העמדות אפשרי תוך זמן סביר, להפחית את משך הזמן של הגירוי (גירויים flashed; משך הגירוי: 300 ms, מרווח intertrial: 300 ms).
      9. מבצע בדיקה הפחתה. להפעיל מבחן הפחתת עם שברי מתאר המוצג במרכז הגג כדי לזהות את מינימום יעיל הצורה תכונה (MESF). ליצור את קבוצת גירויים בפוטושופ על ידי חיתוך את קווי המתאר של כל אחת מהצורות מתאר המקורי לאורך הצירים העיקריים (איור 3B). לעצב את MESF כמו השבר הצורה הקטן ביותר לעורר תגובה לפחות 70 אחוז ההיענות חלוקה ללא פגע, לא קטן יותר באופן משמעותי מאשר את תגובה8.
      10. לקבלת אומדן טוב יותר של מיקום תלות (אפקט של גירוי עמדה על סלקטיביות פרגמנט), להפעיל שתי בדיקות שונות. מבצע בדיקה הפחתת עם שרידים ממוקם במיקום שנכבשו ב הצורה המקורית של חלוקה לרמות. להפעיל מבחן הפחתת עם שברי-מרכז המסה של הצורה.
      11. בשלב זה, הפעל מיפוי RF חדש באמצעות את MESF.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 5 מגרשים את התגובות של נוירון דוגמה הקליט מאזור F5p נבדק עם ארבעה חפצים: שניים שונים צורות - כדור, צלחת-שמוצג בשני גדלים שונים (6 ו- 3 ס"מ). נוירון מסוים זה הגיב לא רק הספרה גדולה (הגירוי האופטימלית; החלונית השמאלית העליונה), אלא גם לצלחת גדולה (החלונית השמאלית התחתונה). לשם השוואה, התגובה עצמים קטנים יותר היה חלש יותר (העליון והתחתון נכון לוחות).

איור 6 מראה נוירון דוגמה טלקוה AIP שנבדקו במהלך VGG והן קיבוע פסיבי. נוירון זה מגיב לא היה רק במהלך האוחז (VGG עבור פעילות, החלונית) אלא גם ההצגה החזותית של תמונות דו-ממד של האובייקטים המוצגים על מסך (קיבוע פסיבי כולל את התמונה של האובייקטים המשמשים את הפעילות וותרו; איור 6B). שימו לב כי הגירוי המועדפת בפעילות פסיבית קיבעון לא בהכרח את האובייקט-כדי-ניתן-לתפיסה, אבל תמונה דו-מימדית נוספת שיש לה שום ניסיון וותרו הקודם (tangerine) עם החיה. איור 6C מראה על הגג של תא זה כאשר נבדק עם התמונה המועדפת nonpreferred. דוגמה של ההיענויות שהתקבלו בבדיקת הפחתת מוצג באיור 6D. נוירון זה דוגמה הגיב הרסיסים הקטנים ביותר במבחן (1-1.5°).

Figure 1
איור 1. רשת Parieto-הקדמית מעורב עיבוד אובייקט ויזואלי, מנוע תכנון וביצוע - אזור הקודקודית האחורי AIP פרויקטים לאזורים PFG, 45B, F5a, אז כדי F5p, M1 ו, לבסוף, בחוט השדרה.

Figure 2
באיור 2. עץ ההחלטות לבדיקת סלקטיביות אובייקט: נסיוני משמש לבדיקת תגובות visuomotor באוכלוסיות עצביים שלנו. הפעילות VGG יכולה להיות מלווה גם MGG או משימה חזותי (קיבוע פסיבי). שתי פעילויות שונות קיבוע פסיבי יכול להיחשב תלוי באזור עניין: קיבוע פסיבי של אובייקטים בעולם האמיתי, קיבעון פסיבי של תמונות דו-ממד של אובייקטים. מערכת visuomotor הפרימטים התפתח לתמוך המניפולציה של אובייקטים אמיתיים, לא התמונות של עצמים6,13 , לפיכך, הוא ניבא כי אזורים אלה עם מרכיב דומיננטי המנוע תהיה יותר משמעותית מגיבים החזון של אובייקטים אמיתיים, graspable. עם זאת, ניתן לסייר סלקטיביות צורה רק בפירוט תוך שימוש בגישה צמצום, אשר ניתן ליישם בקלות רבה יותר עם התמונות של האובייקטים. בפעילות 2D קיבוע פסיבי, תשובה חיובית (המציין סלקטיביות החזותיים לתמונות של האובייקטים) מרמז על שזה אפשרי לחדד עוד יותר את התגובה העצבית. זה מוביל אותנו כדי להפעיל משימה חדשה ניסויי חקר תכונות ברמה נמוכה יותר בהגירוי. לעומת זאת, תגובה שלילית מציינת בסוף הניסוי.

Figure 3
איור 3. כיוונוני visuomotor. (א.) כיוונון קרוסלה. פאנל שמאלי: קרוסלה עיצוב (בלתי נראה הקוף). לוח נכון: הפירוט של לוח קרוסלה מציג את האובייקט to-להיות-אחז ביד קוף מתקרב לזה. עם קרוסלה מסתובבת אנכי המכיל אובייקטים עד שש, אנו יכולים להציג אובייקטים שונים הקוף. (B)- רובוט כיוונון. פאנל שמאלי: מבט של ההתקנה רובוט חזיתי. לוח נכון: הפירוט של ארבעה חפצים שונים שהוצגו על ידי הרובוט (צלחת קטנה/גדולה; כדור קטן/גדול). דרך שנייה מתוחכמים יותר להציג את האובייקטים במהלך הקלטות מתא בודד היא באמצעות זרוע רובוטית מסחריים המצוידים עם התפיסה. עבור A ו- B, רצף האירועים הוא זהה במהלך קיבוע חזותית עם היוצא מן הכלל כי בכיוונון קרוסלה, האובייקט מקבל מואר מלמעלה, בכיוונון רובוט האובייקט הוא מואר מבפנים. בשלב תפיסתו, המשימה מעט שונה. ואילו בכיוונון קרוסלה, המקל. לך הוא הצביע על ידי עמעום הלייזר; בכיוונון רובוט, הקיבעון LED יבטל לגמרי. הבדל נוסף מתייחס הפונקציונליות הספציפית של שני כיוונוני. בזמן ההתקנה קרוסלה יכול לשמש בעיקר לבחון את האובייקט סלקטיביות במיקום ייחודי אחד במרחב החזותי, עם הגדרת רובוט, ביכולתנו לתכנת את המרחק שבו האובייקט אחז להיות to מוצג, המיקום בתוך המטוס frontoparallel, או אפילו לגרום לפליטת בכיוון אובייקט במהלך האוחז (למשל, סיבוב מהיר 45 ° של האובייקט במהלך שלב להשיג). שתי מערכות לאפשר את המצגת של יעד אחר אובייקטים עם וותרו מאפיינים שונים (גודל, כמות, וכדומה), הדורשות אסטרטגיות שונות וותרו (ידית כוח לעומת האחיזה המדוייקת). (ג)- דוגמה לפעילות VGG (קרוסלה התקנה). 1. קיבוע: המשימה שלנו VGG קרוסלה, הקוף מניח ידו contralateral על מכשיר העמדה מנוחתו ליזום את הרצף. בשלב הבא, לייזר מוקרן על האובייקט-כדי-ניתן-לתפיסה, אשר נשאר בחשיכה מוחלטת. 2. אור על: אם החיה שומר על קיבוע יציבה סביב חלון באופן אלקטרוני מוגדר סביב האובייקט עבור משך מסוים, האובייקט הוא מואר על ידי ממקור אור חיצוני (חזותי שלב של הפעילות). לבסוף, לאחר עיכוב משתנה, הלייזר מעמעם, עובד בתור רמז חזותי קדימה, המציינת את הקוף ליזום את התנועה וותרו. החיה מתוגמל על להגיע האוחז, הרמת את האובייקט (שזוהה על-ידי כבלי סיבים אופטיים).

Figure 4
באיור 4. גירויים חזותיים. (א). דוגמה של ערכת גירוי להערכת סלקטיביות צורה ויזואלית. (B). מן התמונות השטח המקורי ב- A, אנו מייצרים בהדרגה מפושטת גרסאות גירויים חזותיים (תלת-ממד משטחים משטחים 2D, צלליות, מתאר, קטעים). על-ידי חלוקת המתאר בקטעים קטנים יותר, נערוך חיפוש עבור מינימום יעיל הצורה תכונה (MESF) לעורר סלקטיביות חזותי.

Figure 5
איור 5. פעילות VGG נבדק עם ההגדרה של הרובוט (התקנת רובוט איור 3B). הצגנו ארבעה חפצים שונים במיקום זהה לעומק: כדור גדול (השמאלית העליונה), צלחת גדולה (משמאל למטה), צלחת קטנה (הימנית התחתונה), כדור קטן (למעלה מימין). התגובה העצבית מיושרת לתחילת אור של אובייקט (סל בגודל של 20 ms).

Figure 6
איור 6. נוירון AIP הקליטה באמצעות VGG (אוחז על הקרוסלה) ומשימות קיבוע פסיבי. (א). פעילות במהלך האוחז. היסטוגרמה בזמן Peristimulus מציג את התגובה של נוירון AIP (התגובה העצבית המיושר התפרצות אור על האובייקט). (B). התגובה חזותי של נוירון אותו כאשר נבדק עם קבוצה רחבה של תמונות דו-ממד של אובייקטים בעולם האמיתי, כולל תמונה של האובייקט אחז להיות to (שני הכיוונים שונים: אופקי לעומת אנכי). (ג)- מיפוי שדה קלט. 2D עם אינטרפולציה מפות המייצג את התגובה הממוצע לגירויים (מימין) המועדפת (משמאל) ו nonpreferred עבור נוירון א' ו- B כאשר נבדק עם 3° תמונות של אובייקטים. כדי לבנות את המפות, אנחנו לכמת את התגובה העצבית נטו (על-ידי חיסור הפעילות הבסיסית) שהושג ב 35 עמדות שונות על המסך (שמציין את הצטלבויות של קווי הרשת מקווקו; [0, 0]: המיקום המרכזי; אזימוט +6 °: contralateral), במרווחים ביניהם 2 ° וכיסוי ipsi - והן contralateral hemifields חזותי. צבע מציין את עוצמת התגובה העצבית (משתנה בין 0 לבין התגובה המרבית של התא). (ד)- צבע עץ מגרש ייצוג מנורמל נטו התגובות (ירי קצב פחות פעילות בסיסית) של נוירון אותו כמו דמות 6A-C הגירוי מועדף ו- nonpreferred (קווי המתאר של התמונה המועדפת nonpreferred) במבחן הפחתת תקן (הפחתת מבחן עם שרידים ממוקם במיקום כבשו את הצורה המקורית של חלוקה לרמות 4-קטע גירויים, בשורה הראשונה; 8-פרגמנט גירויים, בשורה השנייה; 16-פרגמנט לגירויים, שורה שלישית). הצבע בתוך כל עיגול מציין את גודל התגובה (1 = 28 קוצים/s).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

גישה כוללת במחקר של הזרם הגבי דורש בחירה זהירה של פעילויות התנהגותיות ובדיקות חזותי: יכול להיות מועסק פרדיגמות חזותי, וותרו משולב או תלוי בנפרד המאפיינים הספציפיים של האזור.

במאמר זה, אנו מספקים את הדוגמאות של הפעילות העצבית טלקוה AIP והן F5p בתגובה תת-קבוצה של משימות חזותי מוטורי, אבל יכול להיות שנצפו תגובות דומות מאוד בתחומים חזיתית אחרים כגון אזור 45B, F5a.

אנו מציעים שני כיוונוני ניסיוני לחקור עצבית ייצוג של אובייקטים במהלך האוחז. עם אנכי מסתובב קרוסלה (איור 3 א) המכיל אובייקטים עד שש, אנו יכולים להציג אובייקטים שונים הקוף. הקרוסלה מסתובבת מתיר את המצגת של יעד אחר אובייקטים (שונות בתוך צורה, גודל, אמצעי האחסון, וכו '), הדורשות אסטרטגיות שונות וותרו (ידית כוח לעומת האחיזה המדוייקת).

דרך שנייה ומתוחכם יותר להצגת אובייקטים במהלך הקלטות מתא בודד היא באמצעות זרוע רובוטית מסחרי עם התפיסה (איור 3B). במקרה זה, הרובוט יוזם הניסוי על ידי האוחז אובייקט (איור 3B) ולהעביר אותה למיקום מסוים בחלל בחשיכה מוחלטת, בעוד היד של הקוף נשאר על המיקום מנוחתו. חוץ מזה, רצף האירועים הוא זהה הכיוונונים שני. עם זאת, השימוש של רובוט מאפשר ניצול רחב של פרמטרים ניסיוני (המרחק שבו מוצג האובייקט, מיקום המטוס frontoparallel, או את הכיוון של האובייקט). בסופו של דבר, כפי שמוצג בחלונית הימנית של איור 3B, הרובוט יכול להיות מתוכנתת כך לתפוס חפצים שונים (צלחת ו פרנה במקרה שלנו).

זו גישה נסיונית מאפשר קביעת תכונות האובייקט נהיגה הנוירונים visuomotor להגיב אובייקט תצפית במהלך האוחז. עם זאת, גישה זו יש גם מגבלות. עם כל בדיקה אפשרית, נוירונים מסוימים ייכללו בבדיקות נוספות (למשל, אין תגובות לתמונות של האובייקטים, אין סלקטיביות מתאר), כך מסקנות הניסוי יכול מצביעה רק לקבוצת משנה של כל הנוירונים מציג הקשורות למשימות פעילות במהלך האוחז. עם זאת, ב שלנו הקודם מחקרים8, היו הרוב הגדול (83%) של נוירונים מראה חזותי התגובות אובייקט תצפית במהלך אוחז גם להגיב באופן סלקטיבי לתמונות של האובייקטים, היו רוב רובם של הנוירונים האחרון (90%) גם סלקטיבית עבור גירסאות מתאר של תמונות אלה. לכן, פרוטוקול הבדיקה שלנו ייתכן המתאים עבור חלק גדול מאוד של כל הנוירונים מגיב באופן חזותי בקליפת הקודקוד, חזיתית.

נוירונים מסוימים visuomotor, סביר להניח עוד קהלי הקשורות מנוע בבצמוד כגון אזור F5p, רק מגיבים אובייקטים בהקשר של פעילות אוחז, ואני מעולם לא להגיב על התמונות של האובייקטים (אפילו עם פער דו-עינית) שהוצגו על להציג. אף על פי כן שנוכל לחקור את המאפיינים של זה subpopulation של נוירונים השימוש ברובוט. עם הגדרת הניסוי הזה, אנו יכולים להציג את האובייקטים במקומות שונים בתוך המטוס frontoparallel במהלך קיבוע פסיבי (מקביל מבחן RF), נטיות שונות תלת-ממד, במרחקים שונים של החיה, ניתן לשלב עין saccadic תנועות כלפי האובייקט עם עצם האוחז21.

הכוונה שלנו היא לא כדי לספק פרוטוקול נסיוני קשיחה או יחידה לצורך המחקר של נוירונים parieto חזיתי, אך כדי להדגיש את הצורך בגישה מקיפה ודינמית, עם משימות, מבחנים שתוכננה במיוחד עבור הנוירונים שנבחנה. לגבי סלקטיביות חזותי, למשל, פרוטוקול שלנו ניתן בקלות להתאים לצורך המחקר של מאפיינים חזותיים אחרים של נוירונים להגיב על אובייקטים. לדוגמה, עקבנו בגישה דומה מאוד כאשר חוקרים סלקטיביות תלת-ממד ב- F5a12 ו- AIP נוירונים13 במהלך האוחז. אנחנו גם משולב ביצוע וותרו ובדיקה מפורטת חזותית עם קטעי וידאו של פעולות כאשר חוקרים את התגובות תצפית פעולה ב- AIP22. באותו אופן, אחרים ניסיוני משימות רבות, אינם כלולים כאן, יכול גם להוסיף פרוטוקול שלנו בהתאם השאלה המדעית יש לטפל. משימות אלה כוללות המחקר של שני מאפיינים פיזיים בלבד של הגירוי (למשל, גודל גירוי), היבטים קוגניטיביים כגון גירוי היכרות23 או ביולוגית רלוונטיות (העדפה צורות רלבנטיות ביולוגית כגון פרצופים24).

מחקרים נוספים באזורים אלה תספק הבנה טובה יותר של הרשת, יאפשר לנו למקד את הסוג של פרוטוקולים כדי לשמש.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

אנו מודים אינז Puttemans מארק דה Paep, שרה דה Pril, Depuydt ואוטר, אסטריד הרמנס, Piet Kayenbergh, חריט Meulemans, כריסטוף Ulens, סטיין Verstraeten על הסיוע הטכני והמנהלי.

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

מדעי המוח גיליון 138 צורה הגבי חזותי מקוק אוחז קיבוע שדה קלט תא בודד הקלטה
חוקרים ייצוגי האובייקט בזרם Visual הגבי מקוק באמצעות הקלטות יחיד-יחידה
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