本文介绍了一种详细的研究方案,用于分析参与视觉运动转换的顶叶-额叶神经元对物体的选择性。
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本文介绍了一种详细的研究方案,用于分析参与视觉运动转换的顶叶-额叶神经元对物体的选择性。
先前的研究表明,猕猴大脑顶叶-额叶区域的神经元对真实物体、由视差定义的曲面以及真实物体的图像(无论是否包含视差信息)具有高度选择性,这种选择性与腹侧视觉通路中所描述的特性相似。此外,顶叶-额叶区域被认为能够将视觉物体信息转化为适当的运动输出,例如在抓握过程中手部的预先成形。为了更深入地表征参与视觉-运动转换的皮层网络中神经元对物体的选择性,我们提供了一系列测试方法,旨在分析顶叶-额叶区域神经元的视觉物体选择性。
人类和非人灵长类动物都具有执行复杂运动行为的能力,包括抓握物体。为了成功完成这些任务,我们的大脑需要将物体的内在属性转化为运动指令。这一转化过程依赖于位于顶叶和腹侧前运动皮层的一系列复杂的背侧皮层区域1,2,3(图1)。
通过在猴子和人类中进行的病灶研究4,5,我们了解到背侧视觉通路——起源于初级视觉皮层并投射至后顶叶皮层——参与空间视觉以及运动行为的规划。然而,背侧通路中的大多数脑区并非专门负责某一种特定的信息处理。例如,位于背侧视觉通路末端阶段的前内侧顶叶区(AIP)包含多种神经元,其不仅在抓握动作期间放电6,7,8,也在对物体进行视觉观察时放电7,8,9,10。
与AIP类似,位于腹侧运动前区皮层(PMv)的F5区域的神经元在视觉注视和抓握物体时也会产生反应,这可能对将视觉信息转化为运动动作具有重要意义11。该区域的前部(亚区F5a)包含对三维(3D,由视差定义)图像选择性响应的神经元12,13,而位于凸面部的亚区(F5c)则包含具有镜像特性的神经元1,3,这些神经元在动物执行或观察动作时均会放电。最后,F5区域的后部(F5p)是一个与手部相关的区域,其中大部分为视觉-运动神经元,对三维物体的观察和抓握均有响应14,15。紧邻F5的45B区位于弓状沟下支,也可能参与物体形状处理16,17和抓握行为18。
在顶叶和额叶皮层中测试物体选择性具有挑战性,因为难以确定这些神经元响应的特征以及这些神经元的感受野范围。例如,若一个神经元对盘子有反应而对圆锥体无反应,那么驱动这种选择性的究竟是物体的哪种特征:二维轮廓、三维结构、深度方向,还是多种不同特征的组合?为了确定在物体注视和抓握过程中有反应的神经元所依赖的关键物体特征,有必要采用多种视觉测试方法,利用物体图像及其简化版本的图像进行研究。
AIP和F5中相当一部分神经元不仅在动物看到物体时产生反应,而且在黑暗中抓握该物体时也会产生反应(即, 在缺乏视觉信息的情况下,此类神经元可能不会对无法抓握的物体图像产生反应。因此,这些区域神经元反应的视觉与运动成分密切相关,这使得研究这些区域中的神经元物体表征变得困难。由于视觉-运动神经元只能通过真实物体进行测试,若要确定哪些特征对这些神经元至关重要,就需要一个能够灵活地在视野内不同位置和不同朝向呈现多种物体的系统。后者只能借助能够在视觉空间中于不同位置呈现不同物体的机器人系统来实现。
本文旨在为对顶额叶神经元研究感兴趣的科研人员提供一份实验指南。在接下来的章节中,我们将介绍本实验室用于分析清醒猕猴(Macaca mulatta)抓握动作及视觉物体反应的通用实验方案。
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所有技术操作均按照美国国立卫生研究院《实验动物护理和使用指南》和欧盟指令2010/63/EU的要求进行,并经鲁汶大学伦理委员会批准。
1. 麻醉清醒猴进行细胞外记录的一般方法
2. 研究背侧区域的物体选择性
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图5展示了从F5p区域记录到的一个示例神经元对四种物体的反应:两种不同形状——球体和圆板——每种形状又分为两种不同尺寸(6 cm和3 cm)。该神经元不仅对大尺寸球体(最适刺激;左上图)有反应,也对大尺寸圆板有反应(左下图)。相比之下,对较小物体的反应较弱(右上和右下图)。
图6展示了一个在AIP区记录到的神经元示例,该神经元在VGG任务和被动注视任务中均进行了测试。该神经元不仅在抓握过程中有反应(VGG任务,图A),而且在屏幕上呈现物体的二维图像时也有反应(被动注视任务,包括抓握任务中所用物体的图片;图6B)。需要注意的是,在被动注视任务中该神经元的偏好刺激不一定是将要抓握的物体,而可能是动物此前并无抓握经验的另一种二维图像(例如橘子)。
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对背侧通路进行系统研究,需要谨慎选择行为任务和视觉测试:可根据该区域的具体特性,分别或联合采用视觉与抓握范式。
本文提供了 AIP 和 F5p 在应对部分视觉和运动任务时记录到的神经活动示例,但在其他额叶区域(如 45B 区和 F5a)也可观察到非常相似的反应。
我们提出两种实验装置,用于研究抓握过程中物体的神经表征。使用一个垂直旋转的转盘(图3A可容纳多达六个物体的旋转转盘使我们能够向猴子呈现不同的物体。该旋转转盘可用于呈现不同的目标物体(在形状、大小、体积上各不相同) 等等。),需要采用不同的抓握策略(用力抓握与精细抓握)。
在单细胞记录过程中呈现物体的第二种、更为复杂的方法是使用商用机械臂和夹持器(图3B)。在此情况下,机械臂通过抓取一个物体(图3B)并在完全黑暗中将其移...
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作者无任何利益冲突需要披露。
感谢 Inez Puttemans、Marc De Paep、Sara De Pril、Wouter Depuydt、Astrid Hermans、Piet Kayenbergh、Gerrit Meulemans、Christophe Ulens 和 Stijn Verstraeten 在技术与行政支持方面提供的帮助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 抓取机器人 | GIBAS Universal Robots | UR-6-85-5-A | 配备夹持器的机械臂 |
| 转盘电机 | Siboni | RD066/†20 MV6, 35x23 F02 | 用于定制的垂直转盘系统的电机,可实现转盘的旋转 |
| 眼动仪 | SR Research | EyeLink II | 以500 Hz采样率工作的红外摄像系统 |
| 滤波器 | Wavetek Rockland | 852 | 电子滤波器可执行多种信号处理功能,用于去除信号中不需要的频率成分 |
| 前置放大器 | BAK ELECTRONICS, INC. | A-1 | A-1型号前置放大器可降低输入电容和噪声干扰,并可用于检测金属微电极的阻抗 |
| 电极 | FHC | UEWLEESE*N4G | 金属微电极(* = 阻抗,由研究人员选择) |
| CRT显示器 | Vision Research Graphics | M21L-67S01 | CRT显示器配备快速衰减P46荧光粉,工作刷新率为120 Hz |
| 铁电液晶快门 | Display Tech | FLC Shutter Panel; LV2500P-OEM | 快门在猴子前方以60 Hz频率工作,并与显示器的垂直回扫同步 |
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