الآلي المهام البصرية المعرفي للتسجيل العصبية آخر باستخدام الإسقاط الطابق المتاهة

الهدف العام من هذا البروتوكول هو توضيح إجراءات التشكيل والتدريب المُحسنة للمهام المعرفية البصرية المؤتمتة بالكامل والجمع المتزامن للبيانات العصبية في الجرذان باستخدام متاهة الإسقاط الأرضي. ويتحقق ذلك من خلال دمج أنظمة تتبع الفيديو وأنظمة جمع البيانات العصبية مع نظام تحكم سلوكي قادر على تقديم المحفزات ذات الصلة بالمهمة والمكافأة داخل القحف وفقاً لسلوك الحيوان. وبعد أن تتعلم الجرذان اتخاذ وضعية الاستعداد الثابتة في مركز الساحة، تظهر صور مستهدفة تتطلب استجابة سلوكية ذات صلة وفقاً لقواعد المهمة.

تظهر البيانات العصبية المختومة زمنياً لتحليلات ما حول الحدث ارتباطات عصبية بوضعية الاستعداد، وبداية عرض الصورة المستهدفة، وغيرها من الأحداث ذات الصلة بالمهمة. والمميز في هذه التقنية هو أن سباق الإسقاط الأرضي يستفيد من الأدلة السلوكية والتشريحية التي تشير إلى أن الجرذان تعالج المعلومات البصرية في النصف السفلي من المجال البصري. كما تستفيد المهام المصممة في هذا الجهاز من ميل الجرذان الطبيعي لاستكشاف البيئة.

وأخيرًا، يمكن تصميم مجموعة كبيرة من المهام المعرفية الموجهة بصريًا لاستكشاف الوظيفة المعرفية في نماذج القوارض، حيث قمنا بتطوير متاهة الإسقاط الأرضي لتحقيق صلاحية وملاءمة ترجمية أفضل للدراسات التي تُجرى على البشر والرئيسيات غير البشرية. وتمتلك هذه التقنية تطبيقًا أفضل لفهم اضطرابات الذاكرة والانتباه البشرية، نظرًا لأن هذه الاضطرابات تتضمن معالجة المعلومات البصرية.

تعد متاهة الإسقاط الأرضي مجالاً مفتوحاً بدون جدران. وتعمل شاشة إسقاط خلفية كأرضية للجهاز. ويمكن وضع ساحة متاهة بأي شكل على الأرض، أو يمكن إسقاط حدود بصرية افتراضية.

تتكون أرضية شاشة الإسقاط الخلفي من ثلاث طبقات؛ حيث يتم شد نسيج الرؤية المزدوجة فوق قطعة مستطيلة سميكة من البلكسي جلاس، ثم توضع طبقة رقيقة من البلكسي جلاس فوق النسيج لحماية مادة الشاشة من خلال ضغطها بين الطبقتين.

توفر مادة الشاشة الموجودة بين طبقة سميكة من البليكسي جلاس في الأسفل وطبقة رقيقة من البليكسي جلاس في الأعلى أفضل إسقاط للصورة، ويوجد أسفل المتاهة وإلى جانبها جهاز عرض قصير المدى، والذي يقوم بإسقاط الصور خلفياً على الجانب السفلي لأرضية المتاهة. وتوفر كاميرا علوية متصلة بجهاز كمبيوتر يعمل بوحدة Cineplex الأساسية لتحليل السلوك تتبعاً بالفيديو وتحليلاً فورياً لبيانات الموضع. ولتتبع موضع الجرذ، يمكن إما تثبيت مصابيح LEDs على منصة رأس الجرذ أو تتبع المعرف الكائني (OID) لمخطط الجرذ. وباستخدام نظام التتبع بالفيديو، يجب أن تُصنع ساحة الاختبار للمهام السلوكية الموضوعة على البليكسي جلاس من مادة مطاطية.

عند استخدام نظام الحصول على البيانات العصبية، تأكد من تأريض متاهة الإسقاط الأرضي ونظام ICS في المضخم الأولي لتقليل الضجيج الكهربائي. أولاً، قم بتعويد الجرذ على غرفة السلوك لمدة 10 دقائق مع تشغيل المعدات، ثم أعد الجرذ إلى المستعمرة في اليوم التالي. كرر هذه العملية.

في خطوة اليوم الثالث، قم بتوصيل حبال محفز التيار الكهربائي (ICS) ورأس التوجيه بالجرذ، وعوّد الجرذ على ساحة الاختبار لمدة 10 دقائق. وفي اليوم الرابع، حدد أدنى سعة لـ ICS لإنشاء تفضيل مكاني، وذلك باستخدام بروتوكول غير رسمي للتكييف على التفضيل المكاني.

قم بزيادة سعة النبضة الأولى والنبضة الثانية ببطء حتى يتم تكييف الجرذ مع المكان الذي يحدث فيه مكافأة التحفيز الكهربائي (ICS). تتراوح قيم السعة النموذجية بين 20 و 80 micro ampers. بدءاً من اليوم الخامس وما بعده، قدم مكافأة ICS لتدريب الجرذان على منطقة الاستعداد والدخول إلى مناطق الصور الشرقية والغربية.

استمر في التدريب حتى يبدأ الجرذ بالتناوب بين منطقتي الصور. ومن الضروري تدريب الجرذان على الحفاظ على وضعية استعداد ثابتة في منطقة الاستعداد؛ حيث تتحكم وضعية الاستعداد في الاتجاه الذي يقترب منه الجرذ من الصور المستهدفة والمسافات التي يشاهد من خلالها الصور المعروضة.

بالنسبة للمرحلة المتوسطة، يتم تقديم ضوضاء بيضاء بمستوى 50 decibels للإشارة إلى بدء التجربة. يتم إيقاف الضوضاء البيضاء عندما يدخل الجرذ منطقة الاستعداد. يتم أتمتة تقديم مكافأة ICS للجرذ عند دخوله منطقة الاستعداد وعند إتمامه وضعيات الاستعداد بنجاح.

قم بخفض احتمالات المكافأة تدريجياً عند دخول منطقة الاستعداد وإتمام وضعيات الاستعداد بنجاح لتصبح بين 0 و10%. وفي الوقت ذاته، قم بزيادة فترات الكمون في وضعية الاستعداد بخطوات قدرها 100 millisecond لتدريب الجرذ على التوقف والانتظار في وضعية الاستعداد. في هذه المرحلة من التدريب، من المهم عدم المبالغة في مكافأة الجرذان في وضعية الاستعداد، لأن التدريب المفرط سيؤدي إلى تأخير الانتقال إلى مرحلة التشكيل النهائي والقواعد الخاصة بالمهمة.

إذا خرج الجرذ من وضع الاستعداد بشكل مبكر، قم بتشغيل الضوضاء البيضاء. يجب على الجرذ إعادة بدء التجربة من الجانب المقابل للساحة. انتقل إلى مرحلة التشكيل المتأخر عندما يتمكن الجرذ من الحفاظ على وضع الاستعداد بشكل موثوق لمدة تصل إلى 1200 milliseconds لكل تجربة.

تحدد مدة وضعية الاستعداد الجديدة الفترة التي يجب أن يظل فيها الجرذ ساكنًا قبل ظهور الصور المستهدفة. يكون التدريب خلال مرحلة التشكيل المتأخرة محددًا للمهمة ومؤتمتًا في جميع معلمات المهمة. مع توفر المرونة لتقديم مكافآت التحفيز الكهربائي الشرطي (ICS) يدويًا للتدريب الأولي في مهمة التمييز البصري الشرطي، يتم تدريب الجرذان على تمييز بسيط للشكل والسطوع.

ابدأ التجربة بتشغيل الضوضاء البيضاء. قم بتغيير المدة المطلوبة لبقاء الجرذ في وضع الاستعداد بين التجارب. إذا لم يحافظ الجرذ بشكل موثوق على وضع استعداد ثابت، فقدم له مكافأة ICS.

اعرض زوجاً من الصور يدوياً في منطقة عرض الصور، مع عرض الصورة الصحيحة بشكل شبه عشوائي على الجانب الأيسر أو الأيمن من منطقة الصور. قدم مكافأة بنظام التحفيز الكهربائي الشرطي (ICS) عندما يقترب الجرذ من الصورة الصحيحة في اليوم الأول من التدريب.

قم بإصدار دفعة من الضوضاء البيضاء بقوة 75 decibel فقط كـرادع عند حدوث استجابة خاطئة. يتم إجراء تجربة تصحيحية بعد كل تجربة خاطئة. وتُنفذ التجارب التصحيحية في الجانب المقابل من الساحة.

استخدم نفس الجانب الصحيح (الأيسر أو الأيمن) ونفس فترة زمن التأخير لوضعية الاستعداد التي كانت في المحاولة غير الصحيحة السابقة. وبمجرد أن يؤدي الجرذ بنجاح مهمة التمييز البسيط بناءً على النصوع، ابدأ بتقديم مهمة التمييز الشرطي ثنائي الخيار. لا تطلق دفقات ضوضائية في المحاولات غير الصحيحة.

بالنسبة لمهمة التمييز الشرطي المزدوج، يتم تحديد الصورة الصحيحة بناءً على نمط الأرضية. على سبيل المثال، تكون النجمة السوداء هي الصحيحة عندما تكون الأرضية مخططة والدائرة البيضاء هي الصحيحة. وعندما تكون الأرضية رمادية، تتناوب التجارب بين الجانبين الشرقي والغربي مع عرض الصورة الصحيحة.

قم بتنفيذ تجارب تصحيحية بعد التجارب غير الصحيحة بشكل عشوائي زائف على الجانب الأيسر أو الأيمن من منطقة الصورة. وبالنسبة لمهمة الانتباه المكاني البصري، قم بعرض دوائر رمادية في مواقع مكانية محددة. ابدأ التجربة بضوضاء بيضاء وأوقف تشغيلها عندما يدخل الجرذ إلى منطقة الاستعداد.

بعد أن يتخذ الجرذ وضعية الاستعداد للمدة المطلوبة، يتم إضاءة الدائرة المستهدفة بتحويل لونها إلى الأبيض. يتم تعيين المواقع الصحيحة بشكل عشوائي زائف. بعد أن يتم الجرذ وضعية الاستعداد بنجاح، يتم إضاءة الدائرة المستهدفة وتقديم مكافأة ICS.

عندما يقترب الجرذ من الدائرة الصحيحة خلال خمس ثوانٍ، أما إذا اقترب من دائرة مختلفة، فلا يتم تقديم أي مكافأة. يبدأ الجرذ تجربة جديدة من الجانب المقابل للميدان. وإذا فشل الجرذ في الاقتراب من أي دائرة خلال خمس ثوانٍ، تُسجل هذه الحالة كتجربة إغفال.

قم بإضاءة الأرضية بأكملها ولا تقدم مكافأة في البداية. حافظ على إضاءة دائرة الهدف حتى يقترب منها الجرذ. ومع تقدم عملية التعلم، قم بتقليل المدة التي تظل فيها دائرة الهدف مضاءة تدريجياً.

عندما يصل الجرذ إلى دقة تبلغ 80%، قلل زمن إضاءة الدائرة المستهدفة إلى ثانية واحدة دون إجراء أي تغييرات أخرى. وعندما يحقق الجرذ نسبة 80% من الإجابات الصحيحة في حالة الإضاءة لمدة ثانية واحدة، قلل زمن الإشارة إلى 500 ملي ثانية. وعادةً ما تتطلب مرحلة التشكيل المبكر من 100 إلى 150 تجربة لكي يتمكن الجرذان من التناوب بين منطقتي الصورة الشرقية والغربية في الساحة.

خلال مرحلة التشكيل المبكرة، عادةً ما تركض الجرذان عبر منطقة الاستعداد الموجودة في مركز الساحة وتقضي معظم وقتها في استكشاف محيطها. أما في مرحلة التشكيل المتوسطة، فتتطلب الجرذان ما بين 600 إلى 700 محاولة للحفاظ بثبات على وضعية الاستعداد الساكنة المطلوبة. وتكون مساراتها عبارة عن حلقات نمطية تمتد من منطقة الاستعداد إلى منطقة الصورة.

مع قضاء وقت أقل في استكشاف محيط الحلبة. وبنهاية مرحلة التشكيل المتوسطة، تحافظ الجرذان بشكل موثوق على وضعية الاستعداد الثابتة في منطقة الاستعداد. وقبل الاقتراب من المثير البصري المستهدف، يبدأ الجرذ بعد ذلك التجربة التالية على الجانب المقابل من الحلبة.

في نهاية مرحلة التشكيل المتأخرة، تم جمع نشاط الوحدة الواحدة وجهد المجال المحلي بواسطة نظام الحصول على البيانات العصبية. وفي القشرة الخلفية للجرذان التي تؤدي مهمة VBCD، زادت الخلايا من معدل إطلاقها عند بداية عرض الهدف وانخفضت عند بداية عرض نمط الأرضية. أما في القشرة الجدارية الخلفية للجرذان التي تؤدي مهمة VSA، فقد زادت الخلايا من معدل إطلاقها استجابةً لإضاءة الدائرة.

وعندما اقترب الجرذ من الدائرة المستهدفة في مهمة VSA، وبينما كانت الجرذان في وضع الاستعداد قبل إضاءة الدائرة، أظهر نشاط الجهد الميداني المحلي في القشرة الجدارية الخلفية، أثناء الأداء في مهمة VSA، قوة شديدة في نطاق ثيتا عند حوالي 8 hertz. ومن خلال اتباع بروتوكولات التشكيل والتدريب هذه، يمكن تصميم مجموعة متنوعة من المهام لاستكشاف الوظيفة المعرفية والمعالجة البصرية في نماذج القوارض.

توفر هذه التقنية نموذجاً سلوكياً متطوراً للباحثين في مجال التعلم والذاكرة والانتباه، مما يمنح النتائج المستخلصة من النماذج القوارض صلة ترجمية أفضل بالبشر.