使用地面投影迷宫自动化视觉认知任务记录神经活动
2014年2月20日
我们描述了地板上投影迷宫训练大鼠慢性电生理记录在完全自动化的认知任务的协议。
该协议的总体目标是展示使用地板投影迷宫在大鼠中实现全自动视觉认知任务和同步神经数据采集的优化塑造和训练程序。这是通过将视频跟踪和神经数据采集系统与行为控制系统集成来实现的，该系统能够根据动物的行为提供与任务相关的刺激和颅内奖励。在大鼠学会在竞技场中心保持静止就绪位置后，会出现目标图像，需要根据任务规则做出相关的行为反应。
用于 peri 事件分析的带时间戳的神经数据显示了与就绪位置、目标图像呈现的开始以及其他任务相关事件的神经相关性。这项技术的缺点是，地板投影竞赛利用了大鼠在其下视觉半场处理视觉信息的行为和解剖证据。此外，该设备中设计的任务利用老鼠的自然租借来探索环境。
最后，可以设计大量视觉引导的认知任务来探索认知功能 在啮齿动物模型中，我们开发了地板投影迷宫，以提高对人类和非人类灵长类动物进行的研究的有效性和翻译相关性。这种技术对于理解人类的记忆和注意力障碍有更好的应用。因为这些疾病涉及视觉信息的处理。
地板投影迷宫是一个没有墙壁的开阔场地。背投屏幕用作设备的地板。任何形状的 mazo 竞技场都可以放置在地板上，也可以投射虚拟视觉边界。
背投幕地板由三层构成。Dual Vision 织物在一块厚实的矩形有机玻璃上拉伸。在织物上放置一层薄薄的有机玻璃，以保护屏幕材料夹层。
下面的厚有机玻璃和顶部的薄有机玻璃之间的屏幕材料提供了最有效的图像投影，迷宫的侧面是一个短焦投影仪，它将图像反向投射到迷宫地板的底部。连接到带有 Cineplex 基本行为模块的计算机的头顶摄像机提供视频跟踪和位置数据的在线分析。要跟踪大鼠的位置，请将 LED 连接到大鼠的头部阶段或跟踪大鼠轮廓的 OID 使用视频跟踪系统，放置在有机玻璃上的行为任务测试场应由垫子材料制成。
使用神经数据采集系统时，确保地板投影迷宫和 ICS 系统与前置放大器接地，以最大限度地减少电噪声。首先让大鼠在设备打开的情况下习惯于行为室 10 分钟，然后在第二天将大鼠送回蚁群。重复此作。
第三天，将 ICS 和头部台系绳连接到大鼠身上，让大鼠适应测试场地 10 分钟。在第 4 天，确定最低 ICS 振幅以建立位置偏好。使用非正式的地点偏好调节协议。
缓慢增加脉冲 1 和脉冲 2 的振幅，直到大鼠适应到 ICS 奖励发生的地方。典型的振幅值在 20 到 80 微安之间。从第 5 天开始，提供 ICS 奖励，将大鼠训练到就绪区域并进入东西成像区域。
继续训练，直到大鼠在两个图像区域之间交替。训练大鼠在就绪区域保持静止就绪位置至关重要。就绪位置控制大鼠接近目标图像的方向以及大鼠查看所呈现图像的距离。
对于中间阶段，引入 50 分贝的白噪声以表示试验开始。当老鼠进入准备区域时关闭白噪声。自动向进入就绪区域并成功完成就绪位置的大鼠提供 ICS 奖励。
逐渐将进入就绪区域和成功完成就绪位置的奖励概率降低到 0 到 10% 之间，同时逐渐增加就绪位置。以 100 毫秒为步长的延迟，以训练大鼠停止并在就绪位置等待。在训练的这个阶段，重要的是不要过度奖励处于就绪位置的大鼠，因为过度训练会导致延迟过渡到后期塑造和任务特定规则。
如果老鼠过早地打破了就绪位置，请打开白噪声。老鼠必须在竞技场的另一侧重新开始试验。当大鼠每次试验可以可靠地保持就绪位置长达 1200 毫秒时，继续进行后期成型。
新的就绪位置持续时间决定了老鼠在目标图像出现之前必须保持静止的时间。后期整形期间的训练特定于任务，并且在所有任务参数中都是自动的。通过条件区分任务，可以灵活地为视觉的初始训练手动提供 ICS 奖励，训练大鼠进行简单的形状和亮度辨别。
通过打开白噪声开始试用。改变大鼠在两次试验之间保持就绪位置所需的持续时间。如果老鼠不能可靠地保持静止就绪位置，则提供 ICS 奖励。
在图像呈现区域手动呈现一对图像，在图像区域的左侧或右侧伪随机呈现正确的图像。提供 ICS 奖励。当大鼠在训练的第一天接近正确的图像时。
仅发出 75 分贝的白噪声脉冲，以阻止不正确的响应问题。错误试验之后的更正试验。校正试验在竞技场的另一侧进行。
使用与上一个不正确的 Trial 相同的 correct left side or right 和 ready Position latency。一旦大鼠成功执行了简单的亮度鉴别 介绍 bicon 条件鉴别任务。不要为不正确的试验发出噪声突发。
对于 bi 条件判别任务，正确的图像由地板图案确定。例如，当地板是条纹时，黑色星号是正确的，而白色圆圈是正确的。当地板为灰色时，试炼会在东侧和西侧之间交替显示正确的图像。
图像区域左侧或右侧的伪随机在不正确的试验后实施校正试验。对于视觉空间注意力任务：在定义的空间位置显示灰色圆圈。以白噪声开始试验，并将其关闭 When the rat enter the ready area（当老鼠进入就绪区域时）。
在大鼠保持就绪位置所需的持续时间后，将目标圆圈变为白色以照亮目标圆圈。正确的位置是伪随机分配的。大鼠成功完成就绪位置后，照亮目标圆圈并给予 ICS 奖励。
当老鼠在 5 秒内接近正确的圆圈时，如果老鼠接近不同的圆圈，则不会获得奖励。老鼠在竞技场的另一侧开始新的试验。如果老鼠在 5 秒内未能接近任何圆圈，则将其评分为遗漏试验。
照亮整个楼层，一开始不要提供奖励。保持目标圈亮起，直到老鼠接近它。随着学习的进行，目标圆圈保持亮起的时间会逐渐减少。
当大鼠达到 80% 准确率时，将目标圆圈上的照明时间减少到 1 秒，不要进行其他更改。当大鼠在一秒照明条件下达到 80% 正确时，将提示时间减少到 500 毫秒。早期塑造通常需要 100 到 150 次试验，以便大鼠在竞技场的东西图像区域之间交替。
在早期塑形期间，老鼠通常会穿过竞技场中心的准备好的区域，并将大部分时间花在探索竞技场的周边。对于中间塑形，大鼠需要 600 到 700 次试验才能可靠地保持所需的静止就绪位置。它们的路径是从就绪区域到图像区域的构造型循环。
花在探索竞技场周边上的时间更少。到中间整形结束时，大鼠可靠地在就绪区域保持静止就绪位置。在接近目标视觉刺激之前，大鼠然后在竞技场的另一侧开始下一次试验。
在后期塑造结束时，通过神经数据采集系统收集单个单位和局部场电位活动。在执行 VBCD 任务的大鼠的后皮层中，细胞在目标呈递开始时增加其放电率，并在地板模式呈递开始时降低。在执行 VSA 任务的大鼠的后顶叶皮层中，响应圆圈照明的细胞增加了它们的放电速率。
当大鼠在 VSA 任务中接近目标圆圈时，当大鼠处于就绪位置时，圆圈照射后顶叶皮层的局部场电位活动。在 VSA 任务的执行过程中，在大约 8 赫兹的 theta 范围内显示出强大的功率。通过遵循这些塑造和训练方案，人们可以设计大量任务来探索啮齿动物模型中的认知功能和视觉处理。
该技术为学习记忆和注意力领域的研究人员提供了一种复杂的行为范式，从而为啮齿动物模型中的发现提供了更好的翻译相关性。
概览
本文介绍了在自动化认知任务期间使用地板投影迷宫进行大鼠慢性电生理记录训练的协议。视频跟踪和神经数据采集系统的集成增强了对啮齿动物模型视觉认知功能的研究。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 行为心理学
- 电生理学
背景
- 地板投影迷宫允许研究啮齿动物的认知功能。
- 大鼠自然探索其环境，使它们适合认知任务。
- 此方法旨在提高研究结果对人类疾病的转化相关性。
- 迷宫的设计优化了大鼠的视觉处理。
研究目的
- 展示大鼠认知任务的有效训练协议。
- 促进行为任务期间同步神经数据采集。
- 探索与人类记忆和注意力障碍相关的认知功能。
使用的方法
- 大鼠对行为室和测试区域的适应。
- 自动化颅内刺激（ICS）奖励的提供。
- 视频跟踪以实时分析大鼠行为。
- 通过强化逐步塑造任务特定行为。
主要结果
- 成功训练大鼠保持认知任务的就绪姿势。
- 建立了一种可靠的方法来测量行为的神经相关性。
- 展示了地板投影迷宫在认知研究中的有效性。
- 对大鼠视觉处理的时间和性质有了洞察。
结论
- 地板投影迷宫是研究啮齿动物认知功能的有价值工具。
- 此方法增强了对视觉信息处理的理解。
- 研究结果可能对理解人类认知障碍有启示作用。
常见问题
Executive Industry Relevance
Automated visual cognitive tasks integrated with neural recording in rodents enable high-throughput, translationally relevant investigation of learning, memory, and attention mechanisms. The Floor Projection Maze system bridges preclinical discovery and primate research by aligning rodent behavioral paradigms with those used in higher species. This platform supports predictive confidence in target validation and mechanistic de-risking for CNS drug discovery portfolios.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of neural circuits underlying cognitive processes relevant to human disorders.
- Supports functional target validation by linking behavioral outputs to neural activity patterns.
- Facilitates mechanistic de-risking through event-related neural data during defined cognitive epochs.
Screening & Assay Development
- Provides a standardized, automated behavioral platform for reproducible cognitive phenotyping.
- Generates quantitative, timestamped neural and behavioral outputs for robust assay development.
- Enables scalable screening of compounds affecting cognition and neural circuit function.
Translational & Preclinical Research
- Aligns rodent cognitive tasks with primate and human paradigms for improved translational continuity.
- Supports identification of translational biomarkers by correlating neural signatures with behavioral performance.
- Reduces translational risk by modeling disease-relevant cognitive deficits in rodents.
Pipeline & Workflow Integration
This system positions automated cognitive testing and neural recording at the intersection of early discovery, lead identification, and preclinical validation for CNS programs.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing on neural mechanisms of cognition and memory.
- Screening: Provides reproducible, quantitative behavioral and neural readouts for compound evaluation.
- Analytics: Delivers synchronized behavioral and electrophysiological data for comparative analysis across conditions.
- Translational Research: Facilitates continuity from rodent models to primate and human studies by mirroring task structure.
- Enterprise Reuse: Offers a flexible, reusable platform adaptable to diverse cognitive and neural endpoints.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in CNS target validation and mechanism-of-action studies.
- Operational Value: Standardizes cognitive testing and neural data acquisition for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making and reduces late-stage attrition risk in CNS portfolios.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of cognitive targets and candidate compounds.
Implementation Considerations
- Requires expertise in behavioral neuroscience and in vivo electrophysiology.
- Needs integrated video tracking, projection, and neural recording infrastructure.
- Demands cross-team standardization of task parameters and data analysis pipelines.
- Adaptable to various cognitive paradigms but dependent on rodent visual capabilities.
- Electrical noise minimization and animal habituation are critical for data quality.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:46
Floor Projection Maze Overview
3:16
Behavioral Shaping: Early Stage
4:19
Behavioral Shaping: Intermediate Stage
5:51
Behavioral Shaping: Late Stage (vBCD)
7:41
Behavioral Shaping: Late Stage (VSA)
9:00
Shaping Timeline and Neural Recordings in Late Stage Shaping
10:38
Conclusion
