使用地面投影迷宫记录神经活动的自动化视觉认知任务

本实验方案的总体目标是展示一种优化的训练方法，用于在大鼠中实现完全自动化的视觉认知任务以及通过地面投影迷宫同步进行神经数据采集。该方法通过将视频追踪系统和神经数据采集系统与行为控制系统整合，根据动物的行为实时呈现任务相关刺激并给予颅内奖励。在大鼠学会在 arena 中央保持静止的准备位置后，会呈现目标图像，大鼠需根据任务规则作出相应的行为反应。

用于事件相关分析的带时间戳神经数据展示了与准备姿势、目标图像呈现起始以及其他任务相关事件对应的神经关联。该技术的一个亮点在于，地面投影范式利用了行为学和解剖学证据，即大鼠主要在其下半视野处理视觉信息。此外，利用该装置设计的任务还充分利用了大鼠天然倾向于探索环境的行为特性。

最后，可以设计大量基于视觉引导的认知任务，以探究啮齿类动物模型中的认知功能。我们开发了地面投影迷宫，以提高在人类及非人灵长类动物研究中的有效性和转化相关性。该技术更适用于理解人类的记忆与注意力障碍，因为这些障碍涉及视觉信息的处理。

地面投影迷宫是一个无墙壁的开放区域。该装置的地面由一块背投屏幕构成。可在地面上放置任意形状的迷宫区域，也可投影虚拟视觉边界。

背投屏幕地板由三层结构组成。双视图织物被拉伸覆盖在一块较厚的矩形有机玻璃板上，再在织物上方覆盖一层薄的有机玻璃，以保护夹在中间的屏幕材料。

在迷宫下方和侧面，位于底部较厚的有机玻璃与顶部较薄的有机玻璃之间的屏幕材料可实现最有效的图像投射。迷宫下方配备短焦投影仪，将图像从背面投射到迷宫底面。一台连接至计算机的顶部摄像机，配合Cineplex基础行为分析模块，可实现对位置数据的视频追踪与在线分析。为追踪大鼠位置，可在大鼠头部固定装置上安装LED，或利用视频追踪系统追踪大鼠轮廓的OID。用于行为实验的测试区域应放置在有机玻璃上，且应由哑光材质构建。

使用神经数据采集系统时，确保将地面投影迷宫和ICS系统接地至前置放大器，以尽量减少电噪声。首先让大鼠在设备开启的情况下适应行为实验房间10分钟，然后将大鼠送回饲养群体。次日重复此过程。

第三天，将ICS和头端固定装置连接至大鼠，并让大鼠在测试环境中适应10分钟。第四天，确定建立位置偏好的最低ICS强度，采用非正式的位置偏好条件化方案。

逐渐增加脉冲一和脉冲二的幅度，直至大鼠适应脑内自我刺激（ICS）奖励发生的位置。典型的幅度值范围为20至80微安。从第五天开始，给予ICS奖励，以训练大鼠进入准备区域，并进入东侧和西侧图像区域。

持续训练，直到大鼠能够在两个图像区域之间交替选择。训练大鼠在准备区域保持静止的准备姿势至关重要。该准备姿势可控制大鼠接近目标图像的方向，以及观察所呈现图像时的距离。

在中间阶段，引入50分贝的白噪声以提示一次试验的开始。当大鼠进入准备区域时，关闭白噪声。当大鼠进入准备区域并成功完成准备姿势时，自动给予其ICS奖励。

逐渐将进入准备区域以及成功完成准备姿势的奖励概率降低至0%到10%之间。同时，逐步延长准备姿势的持续时间，以100毫秒为间隔增加延迟时间，训练大鼠在准备位置停下并等待。在此训练阶段，重要的是不要在准备位置过度奖励大鼠，因为过度训练会导致向后期塑形及任务特异性规则的过渡延迟。

如果大鼠过早打破准备姿势，则开启白噪声。大鼠必须在竞技场的对侧重新开始试验。当大鼠能够在每次试验中稳定维持准备姿势长达1200毫秒时，即可进入后期塑形阶段。

新的准备位置持续时间决定了大鼠在目标图像出现之前必须保持静止的时间长度。在后期塑形训练阶段，训练内容与任务直接相关，且所有任务参数均为自动化设置。在视觉条件辨别任务的初期训练中，可通过手动递送ICS奖励，训练大鼠进行简单的形状和亮度辨别。

开始试验时打开白噪声。在不同试验之间调整大鼠保持准备姿势所需的时间。如果大鼠无法稳定地维持静止的准备姿势，给予ICS奖励。

在图像呈现区域手动呈现一对图像，伪随机地将正确图像呈现在图像区域的左侧或右侧。当大鼠在训练第一天接近正确图像时，给予ICS奖励。

仅在受试者反应错误时，以75分贝的白噪声短促声作为警示。错误试验后进行一次矫正试验。矫正试验在实验区域的对侧进行。

使用与之前错误试验相同的正确左侧或右侧以及准备位置潜伏期。一旦大鼠成功完成简单的亮度辨别，即引入双条件辨别任务。对于错误的试验，不发出噪声脉冲。

在双条件辨别任务中，正确图像由地板图案决定。例如，当地板为条纹状时，黑色星形是正确的；当地板为灰色时，正确图像在东侧和西侧之间交替出现。

在图像区域的左侧或右侧伪随机地于错误试验后实施校正试验。在视觉空间注意任务中，于特定空间位置呈现灰色圆圈。试验开始时播放白噪声，当大鼠进入准备区域时关闭白噪声。

当大鼠保持准备姿势达到规定时长后，通过将其变为白色来点亮目标圆圈。正确位置以伪随机方式分配。在大鼠成功完成准备姿势后，点亮一个目标圆圈并给予颅内自我刺激（ICS）奖励。

当大鼠在5秒内接近正确的圆圈时，给予奖励；如果大鼠接近了其他圆圈，则不给予奖励。大鼠在竞技场的对侧重新开始下一次试验。如果大鼠在5秒内未接近任何圆圈，则记为一次遗漏试验。

照亮整个地板，最初不给予奖励。保持目标圆圈亮起，直到大鼠接近它。随着学习的逐步进展，逐渐减少目标圆圈保持亮起的时间。

当大鼠的准确率达到80%时，将目标圆圈的照明时间缩短至1秒，其他条件均不改变。当大鼠在1秒照明条件下的正确率达到80%时，再将线索呈现时间缩短至500毫秒。初步行为塑造通常需要100至150次试验，以使大鼠能够在竞技场的东侧和西侧图像区域之间交替选择。

在初期训练阶段，大鼠通常会穿过竞技场中央的准备区域，并将大部分时间用于探索竞技场的周边区域。在中期训练阶段，大鼠需要经过600至700次试验，才能可靠地维持所需的静止准备姿势。它们的运动路径表现为从准备区域到图像区域的刻板循环轨迹。

在探索竞技场边缘区域的时间减少。在中期塑形训练结束时，大鼠能够稳定地在准备区域保持静止的待命姿势。在接近目标视觉刺激之前，大鼠随后在竞技场的对侧启动下一次试验。

在晚期塑造阶段结束时，通过神经数据采集系统记录单个神经元和局部场电位活动。在执行VBCD任务的大鼠的后皮层中，神经元在目标呈现开始时放电率升高，在地板图案呈现开始时放电率降低。在执行VSA任务的大鼠的后顶叶皮层中，神经元对圆形光照的呈现表现出放电率的增加。

当大鼠在VSA任务中接近目标圆圈时，同时在目标圆圈照明前大鼠处于准备位置期间，后顶叶皮层的局部场电位活动显示出约8赫兹的强θ波段功率。通过遵循这些行为塑造和训练方案，研究人员可设计多种任务，以探索啮齿类动物模型中的认知功能和视觉信息处理。

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动物行为研究范式，能够更好地将啮齿类动物模型的研究发现转化为人类相关的应用。