Name: 使用地面投影迷宫自动化视觉认知任务记录神经活动 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-02-20T22:45:00.000+00:00
Duration: 11 min 15 s
Description: 学习使用地面投影迷宫对大鼠进行自动化视觉认知任务训练，并结合在体电生理记录技术同步采集神经活动数据。该方法可精确分析学习与记忆的神经机制，提升啮齿类动物模型向人类认知障碍研究的转化价值。

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本工作获得了以下资助：NSF IOS 1146334、NSF EFRI 0937848、DARPA N66001-10-C-2010 和 NSF IOS 0522220（授予 RDB）。我们感谢 Plexon&#160;Inc&#160;的 Stacie Hyatt 在准备本稿件过程中提供的帮助。

所有操作均符合布朗大学机构动物护理和使用委员会的指导方针。
1. 系统概述
视频追踪系统与行为控制系统协同工作，以监测大鼠在特定任务中的表现，评估目标行为，控制刺激呈现，并根据大鼠的表现给予奖励。在体电生理记录系统则用于采集神经数据，以进行事件相关分析。（图1A）。
<ol>
	<li>地面投影迷宫
	<ol>
		<li>地面投影迷宫2 是一个无壁的开放区域（147.3 cm × 111.8 cm），底部为透明无色的有机玻璃板（厚度 0.6 cm）。该有机玻璃板的下表面是一块增益为1的双视图织物屏幕，该屏幕被拉伸覆盖在另一块有机玻璃板（147.3 cm × 111.8 cm × 1.25 cm）上，用于通过短焦投影仪进行背投。</li>
		<li>将投影仪连接至行为系统计算机中的显卡。使用阳极氧化铝框架固定有机玻璃板、屏幕织物和投影仪。</li>
		<li>安装一个上方的阳极氧化铝框架，用于固定顶部摄像机和滑轮系统，以连接颅内自我刺激（ICS）装置和头戴式记录装置的线缆至大鼠。 
		注意：连接支撑地面投影迷宫的框架与上方框架，以确保电连续性，并将系统接地至前置放大器。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>视频追踪
	<ol>
		<li>使用步骤 1.2.2 中描述的单个顶部摄像机，实时记录、追踪并分析视频。</li>
		<li>将一个顶部摄像机（标准 VGA，80 fps）安装在上方的阳极氧化铝框架上，用于监控大鼠行为。</li>
		<li>可通过附着在大鼠头戴装置上的发光二极管（LED）来监测大鼠位置，或使用自动追踪系统追踪大鼠轮廓的质心。</li>
		<li>使用 CinePlex Basic Behavior 模块在线分析位置数据，并保存数据文件以供后续离线分析。 
		注意：我们使用 CinePlex Behavioral Research System 3.4.1 进行大鼠位置的记录、追踪与分析。CinePlex Tracking 模块用于追踪大鼠。为有效追踪动物行为进展，可使用 CinePlex Basic Behavior 模块在迷宫中具有任务意义的关键位置创建二维空间区域（zones）。这些区域可组合成序列，CinePlex 逻辑事件（如进入区域或完成序列）将被设定：当大鼠满足事件条件时，该事件即被触发。将事件分配为数字输出，并通过超级端口输入卡与行为系统连接。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>完全自动化的行为控制系统
	<ol>
		<li>行为测试区域：在地面投影迷宫上使用适合特定行为任务的适当形状的测试区域。使用哑光白色亚克力材料制作测试区域，并直接放置于地面投影迷宫之上。 
		注意：测试区域的尺寸可根据具体行为任务进行定制。通常墙壁高度为 45–50 cm。本研究中使用双侧测试区域（蝴蝶结形迷宫12），以最大化单次实验中的试验次数（图 1B 显示蝴蝶结形迷宫的尺寸）。在追踪软件中定义测试区域的四个指定区域：东侧图像区、西侧图像区、东侧试验准备区和西侧试验准备区（图 1C）。</li>
		<li>行为系统：由 MED-PC IV 软件控制的行为接口系统运行使用 MEDstate Notation 编写的内部程序（见附录）。利用 CinePlex 行为系统的事件信号追踪大鼠在任务中的进展，控制图像呈现、播放音频提示并给予奖励。
		<ol>
			<li>将超级端口输出卡连接至 Omniplex 数字输入端，以便在 PlexControl 软件环境中获取带时间戳的行为事件，用于离线分析。使用可编程音频发生器发出听觉提示。 
			注意：如需，本装置产生的行为事件可通过数据传输板控制第三方设备（例如 用于光遗传学刺激的激光器）。</li>
			<li>将超级端口输出卡、超级端口输入卡和可编程音频发生器安装于桌面接口机柜中。通过安装在个人计算机（PC）中的 DIG-704PCI-2 PCI 卡，与安装在桌面机柜中的 DIG-700F 解码卡连接，实现各卡件之间的接口通信。</li>
			<li>使用可编程颅内自我刺激（ICS）刺激器向大鼠输送双相方波刺激。通过 PHM152 COM 卡将刺激器连接至计算机。推荐 ICS 参数：脉冲 1 和脉冲 2 持续时间：500 µsec；脉冲 1 与脉冲 2 之间的延迟：500 µsec；频率：100 Hz。 
			注意：ICS 刺激在任务过程中自动递送，但也可通过与 SmartCtrl 模块连接的可编程按钮盒手动递送。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>神经数据采集系统
	<ol>
		<li>确保地面投影迷宫框架和 ICS 系统接地至 Omniplex 神经数据采集系统的前置放大器，以最小化神经记录中的电噪声。</li>
		<li>在数据文件中同步采集神经数据、来自 CinePlex 的位置坐标以及来自行为系统的行为事件标记，用于离线分析。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 动物准备
<ol>
	<li>动物
	<ol>
		<li>获取22日龄的雄性Long-Evans大鼠，未经处理。</li>
		<li>将大鼠成对饲养，并使其在动物房中适应环境一周时间。</li>
		<li>每天对大鼠进行约5分钟的手动操作训练。</li>
		<li>当大鼠体重达到250–275 g时，开始实施食物控制计划，使其体重维持在自由进食状态下体重的85%–90%。目标体重每月增加10 g，直至达到350 g。</li>
		<li>将大鼠单独饲养，并在开始手术植入刺激和记录电极前，继续食物控制至少一周。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>手术植入 
	所有手术操作均应在标准无菌条件下进行，并遵循机构和监管指南。
	<ol>
		<li>使用异氟烷对大鼠进行麻醉。</li>
		<li>在头皮上做切口以暴露颅骨，清洁后确定前囟（bregma）和后囟（lambda）的位置。</li>
		<li>在相应坐标位置进行颅骨开窗。</li>
		<li>安装颅骨锚定螺钉。</li>
		<li>使用以下坐标将ICS电极尖端插入内侧前脑束（MFB）：前后方向，前囟后方-2.7 mm；左右方向，±1.8 mm；背腹方向，颅骨表面下方-8.5 mm。可在对侧半球植入第二个ICS电极作为备用，以防主电极发生故障。</li>
		<li>使用骨水泥将ICS电极固定于颅骨和锚定螺钉上。注意不要将电极的基座（刺激电极上的塑料外壳）用骨水泥封闭。</li>
		<li>将记录电极插入目标脑区，并用骨水泥固定装置。</li>
		<li>将ICS电极基座置于远离记录装置的位置，并使用骨水泥将ICS电极和记录装置固定在锚定螺钉上。</li>
		<li>术后至少恢复七天，再开始对大鼠进行行为塑造方案的适应性训练。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 行为塑造：一般塑造包括三个阶段：早期、中期和晚期塑造（图2）。
注意：早期和中期训练的目的是训练大鼠在每次试验中于准备区域保持静止的“准备姿势”，并在一个训练阶段内完成大量试验。通过半自动化行为训练，使训练过程能够适应每只大鼠个体的学习速度。当大鼠能够稳定维持成功的“准备姿势”后，即可进入任务特异性训练阶段（后期训练），目标是将大鼠转入完全自动化的实验流程，以实现精确且无偏倚的行为控制（图2）。
<ol>
	<li>早期塑形（图2A)
	<ol>
		<li>第1天：将大鼠置于行为学实验室内适应10分钟，期间设备保持开启，随后将其送回饲养群体。</li>
		<li>第2天：重复步骤1，然后让动物在测试环境中适应10分钟。</li>
		<li>第3天：将ICS和头级连接线连接至大鼠，并让大鼠在测试环境中适应10分钟。</li>
		<li>第4天：使用非正式的地点偏好条件化方案，确定建立地点偏好的最低ICS振幅。滴定脉冲1和脉冲2的振幅。典型振幅值为20–80 µA。 </li>
		<li>从第5天开始：给予颅内自我刺激（ICS）奖励，训练大鼠将“准备区”以及东侧和西侧图像呈现与ICS奖励相关联。持续训练直至大鼠能够在东侧和西侧图像区域之间交替选择。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>中间形态塑造（图2B）。
	<ol>
		<li>引入白噪声（50 dB）以提示试验开始。当大鼠进入准备区域时，关闭白噪声。</li>
		<li>自动执行ICS递送，以进入准备区并完成成功的“准备就位”状态。调整在进入时及成功达到“准备就位”状态时的ICS递送概率，以强化行为。 
		注意： 根据每只大鼠在训练阶段的表现，手动调整奖励概率。逐步降低进入准备区以及维持成功准备姿势的奖励概率。建议最终成功维持“准备姿势”的奖励概率为5-10%。所有正确选择均给予奖励。</li>
		<li>从较短的“准备姿势”持续时间开始（例如 200 毫秒）。以 100 毫秒为步长，逐步增加“准备位置”持续时间。</li>
		<li>如果大鼠过早地离开“准备位置”，则打开白噪声，使大鼠必须重新开始该次试验。</li>
		<li>当大鼠在“准备姿势”下保持长达1,200毫秒时，进入后期塑形阶段。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>后期塑形（图2C）. 
	注意： 晚期训练的塑造过程需针对大鼠将要执行的具体任务进行。在此塑造阶段，应自动化训练以实现对所有任务参数的精确且无偏倚的控制，同时保留手动递送ICS奖励的灵活性。本文描述了两种任务的训练方案。
	<ol>
		<li>视觉双条件辨别（vBCD）任务：利用不同的视觉刺激训练大鼠进行简单的形状和亮度辨别。
		<ol>
			<li>通过打开白噪声开始试验。</li>
			<li>随机施加 700 – 1,200 毫秒的“准备位置”延迟。</li>
			<li>必要时手动实施ICS，以强化成功的“准备就绪”状态。</li>
			<li>在图像展示区域呈现一对图像。将正确图像以伪随机方式呈现在图像区域的左侧或右侧。</li>
			<li>给予ICS以获得正确反应并清空区域。当大鼠进入正确图像所在的区域时，即记录为一次正确反应。仅在训练的第一天，对错误反应发出75 dB的白噪声作为制止手段。</li>
			<li>在错误试验后进行校正试验。校正试验的参数（左侧或右侧以及“准备位置”潜伏期）与前一次错误试验相同。</li>
			<li>一旦大鼠能够成功执行该任务 简单辨别，引入不同的地面图案以训练双条件辨别规则。</li>
			<li>呈现一对新图像和两种不同的地板图案作为背景。正确图像取决于地板图案； 例如 黑色星形在地板为灰色时正确，白色圆形在地板为条纹时正确（图3C).</li>
			<li>为每次试验伪随机分配地板图案及正确图像的位置（左侧或右侧），确保试验条件交叉平衡。</li>
			<li>在错误试验后实施校正试验，校正试验的试验参数与前次试验完全相同。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>视觉空间注意（VSA）任务：在实验区域内特定空间位置呈现发光的白色圆圈，训练大鼠趋向目标圆圈所在的空间位置。 
		注意： 在此任务中，实验区域的东侧和西侧图像区域内设有多个位于不同空间位置的灰色圆圈。在成功达到“准备位置”后，目标圆圈将被点亮（变为白色），大鼠必须移动至该目标位置图 3B).
		<ol>
			<li>在每次试验中随机施加 1,000–1,600 毫秒的“准备位置”延迟。</li>
			<li>必要时手动输送 ICS，以强化成功的“准备位置”。</li>
			<li>完成“准备位置”后，随机点亮其中一个灰色圆圈。</li>
			<li>当大鼠进入 illuminated circle 区域时，给予 ICS。</li>
			<li>关闭照明，然后在相反（东侧或西侧）开始下一次试验。</li>
			<li>在后期塑形阶段开始时，点亮圆形区域，直到大鼠接近该区域或试验结束（点亮圆形区域后5秒）。将每次试验记分为正确或遗漏试验。对于遗漏试验，点亮整个地板（呈现白色地板），且在下一次试验开始前不提供奖励。</li>
			<li>当大鼠的正确率达到80%时，将圆圈保持亮起的时间缩短至1秒。大鼠有5秒的时间做出选择。</li>
			<li>不要对错误的试验进行奖励。开始下一次试验。</li>
			<li>若是遗漏试验，则照亮平台并开始新的试验。</li>
			<li>当正确率达到80%时，进一步将目标圆点亮的时间减少至500毫秒。</li>
			<li>每次试验前随机选择目标位置。大鼠有5秒的时间做出选择，之后整个地板亮起，表示该次试验结束。</li>
			<li>不要对错误或遗漏的试验进行奖励。大鼠必须在竞技场的对侧启动新的试验。</li>
			<li>注意： 可在每个图像区域中添加更多圆圈，以进一步增加任务难度。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Furtak, S. C., Ahmed, O. J., Burwell, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single+neuron+activity+and+theta+modulation+in+postrhinal+cortex+during+visual+object+discrimination%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Single neuron activity and theta modulation in postrhinal cortex during visual object discrimination.</a> Neuron. 76, 976-988 (2012).</li>
<li>Furtak, S. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Floor+Projection+Maze%3A+A+novel+behavioral+apparatus+for+presenting+visual+stimuli+to+rats%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci.+Methods%22%5BJournal%5D)">The Floor Projection Maze: A novel behavioral apparatus for presenting visual stimuli to rats.</a> J. Neurosci. Methods. 181, 82-88 (2009).</li>
<li>Bussey, T. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+touchscreen+cognitive+testing+method+for+rodents%3A+how+to+get+the+best+out+of+your+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Learn.+Mem%22%5BJournal%5D)">The touchscreen cognitive testing method for rodents: how to get the best out of your rat.</a> Learn. Mem. 15, 516-523 (2008).</li>
<li>Bussey, T. J., Muir, J. L., Everitt, B. J., Robbins, T. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Triple+dissociation+of+anterior+cingulate%2C+posterior+cingulate%2C+and+medial+frontal+cortices+on+visual+discrimination+tasks+using+a+touchscreen+testing+procedure+for+the+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Behav.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Triple dissociation of anterior cingulate, posterior cingulate, and medial frontal cortices on visual discrimination tasks using a touchscreen testing procedure for the rat.</a> Behav. Neurosci. 111, 920-936 (1997).</li>
<li>Forwood, S. E., Bartko, S. J., Saksida, L. M., Bussey, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rats+spontaneously+discriminate+purely+visual%2C+two-dimensional+stimuli+in+tests+of+recognition+memory+and+perceptual+oddity%5BTitle%5D)+AND+%22Behav.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Rats spontaneously discriminate purely visual, two-dimensional stimuli in tests of recognition memory and perceptual oddity.</a> Behav. Neurosci. 121, 1032-1042 (2007).</li>
<li>Gaffan, E. A., Eacott, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+computer-controlled+maze+environment+for+testing+visual+memory+in+the+rat%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci.+Methods%22%5BJournal%5D)">A computer-controlled maze environment for testing visual memory in the rat.</a> J. Neurosci. Methods. 60, 23-37 (1995).</li>
<li>Keller, J., Strasburger, H., Cerutti, D. T., Sabel, B. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessing+spatial+vision+-+automated+measurement+of+the+contrast-sensitivity+function+in+the+hooded+rat%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci.+Methods%22%5BJournal%5D)">Assessing spatial vision - automated measurement of the contrast-sensitivity function in the hooded rat.</a> J. Neurosci. Methods. 97, 103-110 (2000).</li>
<li>Lashley, K. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+mechanism+of+vision+V+The+structure+and+image-forming+power+of+the+rat%27s+eye%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Comp.+Psychol%22%5BJournal%5D)">The mechanism of vision V The structure and image-forming power of the rat's eye.</a> J. Comp. Psychol. 13, 173-200 (1932).</li>
<li>Lashley, K. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Mechanism+of+Vision%3A+Xv.+Preliminary+Studies+of+the+Rat%27s+Capacity+for+Detail+Vision%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Gen.+Psychol%22%5BJournal%5D)">The Mechanism of Vision: Xv. Preliminary Studies of the Rat's Capacity for Detail Vision.</a> J. Gen. Psychol. 18, 123-193 (1938).</li>
<li>Minini, L., Jeffery, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Do+rats+use+shape+to+solve+%26%2334%3Bshape+discriminations%26%2334%5BTitle%5D)+AND+%22Learn.+Mem%22%5BJournal%5D)">Do rats use shape to solve &#34;shape discriminations&#34.</a> Learn. Mem. 13, 287-297 (2006).</li>
<li>Milner, P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain-Stimulation+Reward+-+a+Review%5BTitle%5D)+AND+%22Can.+J.+Psychol%22%5BJournal%5D)">Brain-Stimulation Reward - a Review.</a> Can. J. Psychol. 45, 1-36 (1991).</li>
<li>Albasser, M. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+behavioral+protocols+to+extend+our+knowledge+of+rodent+object+recognition+memory%5BTitle%5D)+AND+%22Learn.+Mem%22%5BJournal%5D)">New behavioral protocols to extend our knowledge of rodent object recognition memory.</a> Learn. Mem. 17, 407-419 (2010).</li>
<li>Bari, A., Dalley, J. W., Robbins, T. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+application+of+the+5-choice+serial+reaction+time+task+for+the+assessment+of+visual+attentional+processes+and+impulse+control+in+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Protoc%22%5BJournal%5D)">The application of the 5-choice serial reaction time task for the assessment of visual attentional processes and impulse control in rats.</a> Nat. Protoc. 3, 759-767 (2008).</li>
<li>Agster, K. L., Burwell, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structure+and+function+of+the+rodent+postrhinal+cortex%3A+comparisons+to+other+cortical+regions%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Structure and function of the rodent postrhinal cortex: comparisons to other cortical regions.</a> , Brown University. Rhode Island, USA. (2007).</li>
</ol>

本视频文章的投稿费用由 Plexon Inc. 赞助。

我们正式描述了在地面投影迷宫（Floor Projection Maze）上训练大鼠执行完全自动化复杂视觉认知任务的实验方案。该地面投影迷宫已成功用于研究大鼠在执行双选视觉辨别任务时，后鼻周皮层中物体-位置关联及错误信号的神经相关机制1。
行为塑造方案设计为具有灵活性，以便根据每只大鼠的学习速度进行调整。&#160;为行为系统编写的自定义代码可让实验人员在训练的关键阶段控制自动ICS递送的概率； 例如 训练“准备姿势”。代码还应允许在训练过程中通过可编程按钮盒手动递送颅内自我刺激（ICS）。早期塑形的目的是建立有效的ICS刺激以递送奖励，从而强化目标行为。如果可能，我们建议将刺激电极双侧植入内侧前脑束（MFB），以防单侧半球刺激无效。然而根据我们的经验，几乎所有植入的ICS电极均能有效传递具有奖赏性的刺激。中期塑形阶段对于训练大鼠维持“准备姿势”至关重要。在“准备姿势”中，大鼠应保持静止，鼻尖朝向将要呈现选择图像的图像区域。该“准备姿势”控制着图像的出现时机、大鼠接近图像的方向以及观察图像的距离。我们建议在大鼠头件上安装追踪LED，以监测其头部朝向，从而更好地控制行为并更精确地控制目标图像的呈现。可通过手动递送ICS来训练大鼠维持合适的“准备姿势”。当大鼠在每次试验中均能维持满意的“准备姿势”后，晚期塑形阶段的训练将针对特定任务展开。在晚期塑形中，大鼠将被训练学习执行特定任务所需的规则。
我们采用颅内电刺激（ICS）作为奖励传递方法，因为该方法可为大鼠提供即时反馈，从而在行为塑造过程中加快学习速度，并在自动化任务中采集神经数据时增加每轮实验完成的试验次数。然而，ICS刺激会引发神经记录中的电伪迹，可能对连续局部场电位（LFP）或多单元数据的分析造成干扰。在进行连续数据处理前，可通过离线方式从神经记录数据文件中剔除电伪迹周围的信号区间。在高通滤波处理的锋电位数据中，由ICS引起的典型伪迹可轻松通过离线方法去除，且不影响单个锋电位的分析。未来对地面投影迷宫（Floor Projection Maze）实验方案的优化方向包括使用光遗传学工具传递内部奖励，以最小化甚至消除与电刺激相关的伪迹。

地面投影迷宫针对大鼠的视觉能力进行了优化，因此更适合用于视觉引导的行为任务。需要注意的是，由于实验范式所采用的实验方案不同，以及对特定任务成功习得的标准定义不同，因此无法在地面投影迷宫与操作箱之间进行直接比较。我们先前已证明，大鼠在地面投影迷宫中约经过50次试验即可学会简单的双选择视觉辨别任务2，而在其他研究中，当图像在操作箱中以垂直方式呈现时，所需试验次数超过&#62;300次3,10。&#160;视觉注意任务（VSA）的设计参考了经典的五选择序列反应任务13（5-CSRT），后者用于评估视觉注意过程。通常情况下，5-CSRT在操作箱中进行，要求动物将鼻部伸入由闪光指示的正确鼻触孔；而本研究中的VSA任务则在开放场地中进行，要求动物在场地内的特定位置保持静止，将注意力指向目标位置，并等待光刺激出现。根据我们的经验，大鼠在5-CSRT任务中达到标准（连续两天正确率达到75%）约需3,200次试验14，而在地面投影迷宫中的VSA任务中仅需约800次试验即可达到相同标准。

在地面投影迷宫上执行行为任务的另一个优势在于，这些任务是在一个大型开放场地中进行的，这利用了大鼠自然探索环境的倾向，与要求动物注视固定目标的任务形成对比。在开放场地中使用自由活动大鼠的一个主要优势 &#160;在地面投影迷宫装置中是 &#160;视觉信息可同时获取以环境为中心（allocentric）和以自我为中心（egocentric）的空间信息。本实验范式的另一优势在于，任务设计不必局限于静态图像的呈现，未来可利用动态视觉刺激的位置和特征进行实验。借助CinePlex行为研究系统的追踪功能，可开发更精细的任务以深入理解特定脑区的功能。结合同步的电生理记录与视觉引导的认知任务，能够探索脑活动与决策、视觉辨别等认知过程之间关系的基本科学问题。
通过视觉引导任务，大鼠研究的结果可以更有效地转化应用于人类，最终目标是为人类认知疾病提供治疗方法。

视觉任务常用于人类和猴类研究，以探究学习和记忆的潜在机制。然而，啮齿类动物模型更易于研究人员开展规模更大、控制更严格的实验，并且具有允许采用更侵入性电生理技术的额外优势。结合其他方法（如基因操作），对自由活动大鼠进行电生理记录，为精确定位认知过程背后的机制和神经环路提供了一个有用的模型。灵长类动物的视觉任务要求受试者将视线朝向显示器上的视觉刺激，而大鼠的任务则要求受试者与环境进行互动。地板投影迷宫利用了大鼠在主动探索环境的同时关注视觉刺激的自然倾向。
使用专为啮齿类动物设计的触摸屏装置进行的认知任务，使得从啮齿类动物模型到人类的研究结果具有更好的可转化性3。触摸屏任务通常在一种实验箱内进行，二维视觉刺激以垂直方式呈现在箱壁上3-7。这些触摸屏任务要求实验动物直立身体朝向目标视觉刺激，并切断红外光电束或按压压力垫以记录其反应。然而，解剖学和行为学证据表明，大鼠在引导行为时对下半视野的视觉信息处理更为有效8-10。本实验室开发了利用地板投影迷宫2的认知任务，其中二维视觉刺激通过背投方式呈现在测试 arena 的地面上。与触摸屏装置相比，在地板投影迷宫中，可以在较大的开放 arena 中追踪大鼠执行任务时的行为。因此，除了视觉信息和决策相关的神经活动外，还可获得记录神经活动中所包含的空间信息。

我们向内侧前脑束（MFB）传递颅内刺激（ICS）作为奖励11。与食物和饮料奖励相比，这种奖励方式具有优势。即使在食物剥夺的大鼠中，食物和饮料奖励也可能导致饱足感，限制动物执行的试验次数，并可能延缓训练进程。ICS提供即时奖励，可对任务表现给予即时反馈。这种即时奖励有助于更快地塑造行为并促进习得，显著缩短训练方案的持续时间。此外，单次实验中可完成更多试验次数，增加所收集数据的量，从而获得更可靠的与任务相关行为样本。

利用地面投影迷宫，我们将描述一种用于塑造大鼠行为以执行复杂认知任务的通用实验方案。该通用方案为训练大鼠完成多种当前用于记录注意力和视觉辨别神经相关性的任务提供了框架1。因此，地面投影迷宫针对大鼠的视觉能力进行了优化，能够实现与人类及非人灵长类动物视觉任务之间更有力的比较。&#160;

<table><tbody><tr><td>OmniPlex D 神经数据采集系统</td><td>Plexon Inc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>DigiAmp 数字化放大器</td><td>Plexon Inc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>地面投影迷宫框架</td><td>80/20 Inc</td><td></td><td>15 系列 T 型槽框架</td></tr><tr><td>短焦投影仪</td><td>NEC Display Solutions</td><td>WT610E</td><td></td></tr><tr><td>Da-Lite 带绳孔和孔眼的投影幕布</td><td>Da-Lite Screen Company</td><td>81326C</td><td></td></tr><tr><td>有机玻璃（Plexiglas）</td><td>Modern Plastics</td><td></td><td></td></tr><tr><td>SuperPort 输入卡</td><td>Med Associates Inc</td><td>DIG-713A</td><td></td></tr><tr><td>SuperPort 输出卡</td><td>Med Associates Inc</td><td>DIG-726</td><td></td></tr><tr><td>SmartCtrl 接口模块</td><td>Med Associates Inc</td><td>DIG-716B</td><td></td></tr><tr><td>解码卡</td><td>Med Associates Inc</td><td>DIG-700F</td><td></td></tr><tr><td>PCI 卡</td><td>Med Associates Inc</td><td>DIG-704PCI-2</td><td></td></tr><tr><td>可编程音频发生器</td><td>Med Associates Inc</td><td>ANL-926</td><td></td></tr><tr><td>可编程颅内自我刺激刺激器</td><td>Med Associates Inc</td><td>PHM-150B</td><td>由 PHM-152COM 卡控制运行</td></tr><tr><td>双通道电极</td><td>Plastics1</td><td>MS303/13/SP</td><td>在基座下方 15–20 mm 处剪断</td></tr><tr><td>MED-PC IV 软件</td><td>Med Associates Inc</td><td>SOF-735</td><td></td></tr><tr><td>OmniPlex 软件</td><td>Plexon Inc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>CinePlex 软件：追踪与基础行为模块</td><td>Plexon Inc</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

使用地面投影迷宫记录神经活动的自动化视觉认知任务

Automated Visual Cognitive Tasks for Recording Neural Activity Using a Floor Projection Maze

用于灵长类动物研究学习和记忆机制的神经心理学任务通常是视觉引导的认知任务。我们为大鼠开发了基于地面投影迷宫1,2&#160;的视觉认知任务，这些任务针对大鼠的视觉能力进行了优化，从而能够更有效地将实验结果与其他物种进行比较。
为了研究学习与记忆的神经相关机制，我们已将电生理记录整合到地板投影迷宫（Floor Projection Maze）的完全自动化认知任务中1,2。行为学软件与动物追踪系统相连接，可精确监控动物行为，并精准控制图像呈现和奖赏条件，从而更好地训练动物。与in vivo电生理记录系统的整合，使得能够在特定认知任务的选定时段内，检测神经活动与行为之间的相关性。
我们描述了一种模型系统的实验方案，该系统结合了对啮齿类动物的自动化视觉信息呈现、颅内奖赏以及电生理学方法。我们的模型系统提供了一套复杂的工具，可作为其他认知任务的框架，以更好地分离和识别参与特定认知过程的具体机制。

一般塑形步骤的目标是使大鼠适应测试环境，训练大鼠在目标视觉刺激呈现期间保持静止的“准备位置”，并学会向正确视觉刺激的位置移动。在适应测试房间、测试 arena 以及连接线缆后，早期塑形通常需要进行 100–150 次试验，直到大鼠能够在 arena 的东侧和西侧之间交替活动。在早期塑形阶段，大鼠通常会穿过 arena 中央的准备区域，并将大部分时间用于探索 arena 的边缘区域（图 4A）。处于中期塑形阶段的大鼠逐渐学会在准备区域内保持静止的“准备位置”，此阶段通常需要 600–700 次试验。此时，动物的运动路径呈现出从准备区域到图像区域的刻板环路，探索迷宫边缘的时间显著减少。然而，大鼠尚未完全维持静止的“准备位置”，这一点可通过其穿越中央准备区域时的速度来判断（图 4B）。
经过中级塑形训练后，大鼠在接近目标视觉刺激之前，会在准备区域保持静止的“准备姿势”。随后，大鼠将在竞技场的对侧启动下一次试验（图4C）。
将追踪软件和神经数据采集系统与行为控制系统相结合，可实现对神经数据的事件相关分析。可调节的电极阵列可被精确定位，用于记录单个神经元和局部场电位活动。当大鼠执行vBCD任务时，记录来自后鼻周皮层的数据。事件相关直方图和点阵图显示，后鼻周皮层的神经元对目标视觉刺激的呈现以及对地板图案的出现有反应（图5A）。在大鼠执行VSA任务时，后顶叶皮层的神经元对图像呈现以及当大鼠进入定义目标图像的区域做出选择时产生反应（图5B）。在VSA任务执行过程中，后顶叶皮层的局部场电位活动显示，当大鼠在图像呈现前处于“准备位置”时，theta频段（约8 Hz）的功率显著增强（图5C）。
<img alt="行为学实验示意图，包含实验装置、六边形迷宫尺寸及数据追踪软件界面。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51316/51316fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51316/51316fig1.jpg" width="400" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图1"> 
图1. 实验装置示意图。 A. 行为学实验间与控制间的示意图。地面投影迷宫位于行为学实验间内，大鼠通过上方摄像头进行监测。控制间内放置用于控制实验任务及采集神经数据的设备。 B. 蝴蝶结形迷宫的尺寸。 C. CinePlex Studio 软件界面截图。用户可自定义区域，逻辑事件以 CinePlex 数字输出信号形式发送至行为控制系统（Med Associates），用于监测大鼠的行为进展。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51316/51316fig1highres.jpg" target="_blank">点击此处查看高清图像。</a>
<img alt="动物行为塑造过程示意图；阶段：早期、中期、晚期；试验进展。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51316/51316fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51316/51316fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 2"> 
图 2. 塑造步骤示意图。 A. 在早期塑造阶段，大鼠进入准备区以及东侧和西侧图像区时会接受脑刺激（ICS）。目的是训练大鼠将这些区域与 ICS 奖励相关联。 B. 中期塑造的重点是训练大鼠在准备区内保持静止的“准备姿势”。仅在成功维持“准备姿势”后才呈现图像。大鼠在接近图像区内的图像时仍会继续接受 ICS。 C. 在晚期塑造阶段，大鼠已能成功维持静止的“准备姿势”。训练具有任务特异性，大鼠被训练学习执行特定任务的具体规则。闪电符号表示 ICS 的给予。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51316/51316fig2highres.jpg" target="_blank">点击此处查看高清图像。</a>
<img alt="视觉辨别与注意力任务示意图，含小鼠导航路径。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51316/51316fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51316/51316fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图3"> 
图3. A. vBCD任务示意图。 当地板为灰色时，黑色星形位置有奖励；当地板为条纹状时，白色圆形位置有奖励。B. VSA任务示意图。灰色圆圈表示图像区域中的目标位置。目标刺激为其中一个圆圈短暂（500毫秒）亮起（白色）。大鼠在接近正确目标位置后可获得奖励。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51316/51316fig3highres.jpg" target="_blank">点击此处查看高清图像。</a>
<img alt="形态发生过程示意图；时间塑造的数据分析；快速与慢速动态。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51316/51316fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51316/51316fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图4"> 
图4. 塑造过程中的典型路径示例。 来自一只大鼠在不同塑造阶段持续两分钟时间段的位置数据。动物运动速度通过热图表示，冷色调代表最慢速度，暖色调代表最快速度。A. 在早期塑造阶段，大鼠在东侧和西侧图像区域的外壁附近探索并直立攀爬，且不会在准备区停留。B. 在中期塑造阶段，开始出现较为刻板的运动路径，路径呈环形从图像区域返回至准备区，大鼠开始能够成功在准备区维持“准备姿态”。C. 当大鼠进入后期塑造阶段时，其在准备区保持静止的“准备姿态”，运动路径更加固定和刻板。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51316/51316fig4highres.jpg" target="_blank">点击此处查看高清图像。</a>
<img alt="神经反应直方图和频谱图；视觉刺激、决策研究、频率数据分析。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51316/51316fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51316/51316fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 5"> 
图 5. 事件相关分析示例。 A. 在 vBCD 任务期间记录到的后嗅皮层细胞，对目标图像呈现（左）和地板呈现（右）表现出不同的反应。 B. 在 VSA 任务期间记录到的后顶叶皮层细胞，对圆圈照明呈现不同的反应（左）。在选择目标圆圈点亮的空间位置后放电增加（右）。 C. 频谱图显示在“准备姿势”期间后顶叶皮层存在显著的theta波功率。垂直的红线表示成功的“准备姿势”结束以及图像的呈现。垂直的蓝线表示在 vBCD 任务中试验开始时 Floor 1 的呈现。垂直的绿线表示在 VSA 任务中已注册选择。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51316/51316fig5highres.jpg" target="_blank">点击此处查看大图。</a>

我们介绍了在地面投影迷宫上对大鼠进行完全自动化认知任务的慢性电生理记录训练的实验方案。

灵长类动物中用于研究学习与记忆机制的神经心理学任务通常是视觉引导的认知任务。我们已经……

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。

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使用地面投影迷宫自动化视觉认知任务记录神经活动

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