Automatisierte kognitive Anforderungen für die Aufnahme Neuronale Aktivität Mit einer Bodenprojektion Maze

Das übergeordnete Ziel dieses Protokolls besteht darin, optimierte Verfahren zur Formung und Schulung vollständig automatisierter visueller kognitiver Aufgaben sowie gleichzeitiger neuraler Datenaufnahme bei Ratten mithilfe eines Bodenprojektions-Labyrinths zu demonstrieren. Dies wird erreicht, indem Videospuraufnahmesysteme und Systeme zur Aufnahme neuronaler Daten mit einem Verhaltenskontrollsystem integriert werden, das in der Lage ist, aufgabenspezifische Reize sowie intrakranielle Belohnungen entsprechend dem Verhalten des Tieres bereitzustellen. Nachdem die Ratten gelernt haben, eine stationäre Bereitschaftsposition in der Mitte der Versuchsanlage einzunehmen, erscheinen Zielbilder, die gemäß den Aufgabenregeln eine entsprechende Verhaltensreaktion erfordern.

Zeitgestempelte neuronale Daten für peri-ereignisbezogene Analysen zeigen neuronale Korrelate zur Bereitschaftsposition, zum Beginn der Zielreizpräsentation und anderen aufgabenrelevanten Ereignissen. Besonders bemerkenswert an dieser Technik ist, dass die Projektion auf dem Boden die verhaltensbezogenen und anatomischen Befunde nutzt, wonach Ratten visuelle Informationen in ihrem unteren visuellen Gesichtsfeld verarbeiten. Außerdem nutzen Aufgaben, die mit dieser Apparatur konzipiert sind, die natürliche Neigung der Ratte, ihre Umgebung zu erkunden.

Schließlich kann eine Vielzahl visuell gesteuerter kognitiver Aufgaben entwickelt werden, um die kognitive Funktion in Nagetiermodellen zu untersuchen. Wir haben das Bodenprojektionslabyrinth entwickelt, um eine höhere Validität und translative Relevanz für Studien beim Menschen und bei nichtmenschlichen Primaten zu erreichen. Diese Technik eignet sich besser zum Verständnis menschlicher Störungen des Gedächtnisses und der Aufmerksamkeit, da diese Störungen die Verarbeitung visueller Informationen beinhalten.

Das Bodenprojektionslabyrinth ist ein offenes Feld ohne Wände. Ein Rückprojektionsbildschirm dient als Boden der Vorrichtung. Jede Form einer Labyrintharena kann auf den Boden gelegt oder virtuelle visuelle Begrenzungen können projiziert werden.

Der Boden des Rückprojektionsbildschirms besteht aus drei Schichten. Ein Doppelsichtgewebe wird über ein dickes rechteckiges Stück Plexiglas gespannt. Eine dünne Schicht aus Plexiglas wird über das Gewebe gelegt, um das Bildschirmmaterial zu schützen, das so eingeschlossen wird.

Das Schirmmaterial zwischen dickem Plexiglas unten und dünnem Plexiglas oben ermöglicht die effektivste Bildprojektion. Unterhalb und seitlich des Labyrinths befindet sich ein Kurzdistanzprojektor, der Bilder auf die Unterseite des Labyrintbodens projiziert. Eine Überkopfkamera, die an einen Computer mit dem Cineplex-Basisverhaltensmodul angeschlossen ist, ermöglicht die Videoverfolgung und Online-Analyse von Positionsdaten. Um die Position der Ratte zu verfolgen, befestigen Sie entweder LEDs am Kopfträger der Ratte oder verfolgen Sie die OID-Kontur der Ratte. Die Testarena für Verhaltensaufgaben, die auf das Plexiglas gestellt wird, sollte mit mattem Material ausgekleidet sein.

Bei Verwendung des Systems zur Erfassung neuronaler Daten sicherstellen, dass das Bodenprojektionslabyrinth und das ICS-System mit dem Vorverstärker geerdet sind, um elektrische Störungen zu minimieren. Gewöhnen Sie zunächst die Ratte 10 Minuten lang an den Verhaltensraum, wobei die Geräte eingeschaltet sind, und bringen Sie die Ratte am nächsten Tag zurück in die Kolonie. Wiederholen Sie dies.

Am dritten Tag verbinden Sie die Kabel der ICS und der Kopfhalterung mit der Ratte und gewöhnen die Ratte 10 Minuten lang an die Testarena. Am vierten Tag bestimmen Sie die niedrigste ICS-Amplitude, um eine Ortspräferenz zu etablieren, unter Verwendung eines informellen Ortspräferenz-Konditionierungsprotokolls.

Erhöhen Sie langsam die Amplituden von Puls eins und Puls zwei, bis die Ratte an die Stelle gewöhnt ist, an der die ICS-Belohnung erfolgt. Typische Amplitudenwerte liegen zwischen 20 und 80 Mikroampere. Ab dem fünften Tag liefern Sie eine ICS-Belohnung, um die Ratten auf den Bereitschaftsbereich sowie auf das Betreten der östlichen und westlichen Bildbereiche zu trainieren.

Setzen Sie das Training fort, bis die Ratte zwischen den beiden Bildbereichen wechselt. Es ist entscheidend, die Ratten darauf zu trainieren, eine stationäre Bereitschaftsposition im Bereitschaftsbereich beizubehalten. Die Bereitschaftsposition steuert, von welcher Richtung die Ratte die Zielbilder ansteuert, sowie die Abstände, aus denen die Ratte die dargestellten Bilder betrachtet.

Für die Zwischenstufe 50 Dezibel weißes Rauschen einleiten, um den Beginn eines Versuchs anzugeben. Schalten Sie das weiße Rauschen aus, wenn die Ratte den Bereitschaftsbereich betritt. Automatisieren Sie die Verabreichung einer ICS-Belohnung an die Ratte für das Betreten des Bereitschaftsbereichs und für das erfolgreiche Einnehmen der Bereitschaftspositionen.

Verringern Sie schrittweise die Belohnungswahrscheinlichkeiten für das Betreten des Bereitschaftsbereichs und die erfolgreiche Einnahme der Bereitschaftsposition auf Werte zwischen null und 10 %. Gleichzeitig erhöhen Sie die Verweildauer in der Bereitschaftsposition schrittweise in 100-Millisekunden-Schritten, um die Ratte darauf zu trainieren, in der Bereitschaftsposition anzuhalten und zu warten. In diesem Trainingsstadium ist es wichtig, die Ratten in der Bereitschaftsposition nicht übermäßig zu belohnen, da eine Überbelohnung zu verzögerten Übergängen zur späteren Formung und zu aufgabenspezifischen Regeln führen kann.

Falls die Ratte die Bereitschaftsposition vorzeitig verlässt, schalten Sie das weiße Rauschen ein. Die Ratte muss den Versuch auf der gegenüberliegenden Seite der Arena erneut starten. Fahren Sie mit der späten Formung fort, wenn die Ratte die Bereitschaftsposition zuverlässig bis zu 1200 Millisekunden pro Versuch beibehalten kann.

Eine neue Dauer der Bereitschaftsposition bestimmt, wie lange die Ratte still verharren muss, bevor die Zielbilder erscheinen. Das Training während der späten Formung ist aufgabesspezifisch und in allen Aufgabenparametern automatisiert. Mit der Möglichkeit, ICS-Belohnungen manuell für das anfängliche Training bei der visuellen diskriminativen Aufgabe nach Bedingung zu verabreichen, trainieren Sie die Ratten in einer einfachen Form- und Helligkeitsdiskriminierung.

Beginnen Sie den Versuch, indem Sie das weiße Rauschen einschalten. Variieren Sie die erforderliche Dauer, die die Ratte zwischen den Versuchen in der Bereitschaftsposition verbleibt. Wenn eine Ratte nicht zuverlässig eine stationäre Bereitschaftsposition einhält, geben Sie eine ICS-Belohnung ab.

Präsentieren Sie manuell ein Paar von Bildern im Bildpräsentationsbereich und zeigen Sie pseudorandomisiert das korrekte Bild auf der linken oder rechten Seite des Bildbereichs an. Geben Sie eine ICS-Belohnung aus, wenn die Ratte am ersten Trainingstag auf das korrekte Bild zugeht.

Geben Sie nur einen 75 Dezibel starken Weißgeräusch-Impuls als Abschreckung für eine falsche Antwort aus. Führen Sie nach einem falschen Versuch eine Korrekturprobe durch. Korrekturproben werden auf der gegenüberliegenden Seite der Arena durchgeführt.

Verwenden Sie dieselbe korrekte linke oder rechte Seite und dieselbe Bereitschaftspositions-Latenz wie beim vorherigen fehlerhaften Versuch. Sobald die Ratte die einfache Helligkeitsdiskriminierung erfolgreich durchgeführt hat, führen Sie die bikonditionale Diskriminierungsaufgabe ein. Geben Sie keine Geräuschimpulse bei fehlerhaften Versuchen aus.

Bei der bikonditionalen Diskriminationsaufgabe wird das korrekte Bild durch das Bodenmuster bestimmt. Beispielsweise ist der schwarze Stern korrekt, wenn der Boden gestreift ist, und der weiße Kreis ist korrekt, wenn der Boden grau ist. In diesem Fall wechseln die Versuche zwischen der Ost- und der Westseite, wobei das korrekte Bild präsentiert wird.

Implementieren Sie nach fehlerhaften Durchgängen korrigierende Durchgänge pseudozufällig auf der linken oder rechten Seite des Bildbereichs. Für die Aufgabe zur visuellen räumlichen Aufmerksamkeit werden graue Kreise an definierten räumlichen Positionen präsentiert. Beginnen Sie den Durchgang mit weißem Rauschen und schalten Sie es aus, wenn die Ratte den Bereitschaftsbereich betritt.

Nachdem die Ratte die Bereithaltedauer eingehalten hat, leuchten Sie den Zielkreis auf, indem Sie ihn weiß färben. Die korrekten Positionen werden pseudorandomisiert zugewiesen. Nachdem die Ratte die Bereithaltestellung erfolgreich abgeschlossen hat, leuchten Sie einen Zielkreis auf und verabreichen eine ICS-Belohnung.

Wenn die Ratte innerhalb von fünf Sekunden den richtigen Kreis erreicht, wird eine Belohnung gegeben; nähert sich die Ratte hingegen einem anderen Kreis, erfolgt keine Belohnung. Die Ratte beginnt einen neuen Versuch auf der gegenüberliegenden Seite der Arena. Wenn die Ratte innerhalb von fünf Sekunden keinen Kreis anspricht, wird dies als Auslassungsversuch gewertet.

Beleuchten Sie den gesamten Boden und geben Sie zunächst keine Belohnung. Halten Sie den Zielkreis beleuchtet, bis die Ratte ihn erreicht. Während das Lernen fortschreitet, verringern Sie allmählich die Zeitspanne, in der der Zielkreis beleuchtet bleibt.

Wenn die Ratte eine Genauigkeit von 80 % erreicht, verringern Sie die Beleuchtungsdauer des Zielpunkts auf eine Sekunde und nehmen Sie keine weiteren Änderungen vor. Wenn die Ratte bei der einsekündigen Beleuchtungsbedingung 80 % korrekte Antworten erreicht, reduzieren Sie die Dauer des Hinweisreizes auf 500 Millisekunden. Die frühe Schrittbildung erfordert typischerweise 100 bis 150 Durchgänge, bis die Ratten zwischen den östlichen und westlichen Bildbereichen der Versuchsanlage wechseln.

Während der frühen Ausbildung laufen die Ratten typischerweise durch den Bereitschaftsbereich in der Mitte der Arena und verbringen den größten Teil ihrer Zeit damit, den Rand der Arena zu erkunden. Für die mittlere Ausbildung benötigen die Ratten 600 bis 700 Versuche, um die erforderliche stationäre Bereitschaftsposition zuverlässig beizubehalten. Ihre Bewegungspfade bilden stereotypisierte Schleifen vom Bereitschaftsbereich zum Bildbereich.

Mit weniger Zeit, die am Rand der Arena verbracht wird. Am Ende der intermediären Formung halten die Ratten zuverlässig eine stationäre Bereitschaftsposition im Bereitschaftsbereich ein. Bevor sie den Zielreiz erreichen, leiten die Ratten den nächsten Versuch auf der gegenüberliegenden Seite der Arena ein.

Am Ende der späten Formung wurden Aktivitäten einzelner Einheiten und lokale Feldpotentiale mit dem neuronalen Datenerfassungssystem aufgezeichnet. Im postalischen Kortex von Ratten, die die VBCD-Aufgabe durchführten, erhöhten die Zellen ihre Feuerrate zu Beginn der Zielpräsentation und verringerten sie zu Beginn der Bodenmusterpräsentation. Im hinteren Parietalkortex von Ratten, die die VSA-Aufgabe durchführten, erhöhten die Zellen ihre Feuerrate als Reaktion auf die Beleuchtung des Kreises.

Und wenn die Ratte im VSA-Test dem Zielkreis näherte, während sich die Ratten in der Ausgangsposition vor der Beleuchtung des Kreises befanden, zeigte die lokale Feldpotenzialaktivität im hinteren Parietalkortex während der Durchführung des VSA-Tests eine starke Leistung im Theta-Bereich bei etwa acht Hertz. Indem man diese Formungs- und Trainingsprotokolle befolgt, kann man eine Vielzahl von Aufgaben entwerfen, um kognitive Funktionen und visuelle Verarbeitung in Nagetiermodellen zu untersuchen.

Diese Technik bietet Forschern auf dem Gebiet des Lernens, Gedächtnisses und der Aufmerksamkeit ein anspruchsvolles Verhaltensparadigma, das eine bessere translationale Relevanz von Ergebnissen aus Nagetiermodellen für den Menschen ermöglicht.