Tâches cognitives visuels automatisés pour l'enregistrement de neurones activité en utilisant une projection au sol Maze

L'objectif général de ce protocole est de démontrer des procédures optimisées de modelage et d'entraînement pour des tâches cognitives visuelles entièrement automatisées, ainsi que l'acquisition simultanée de données neuronales chez des rats à l'aide d'un labyrinthe à projection au sol. Cela est réalisé en intégrant des systèmes de suivi vidéo et d'acquisition de données neuronales à un système de contrôle comportemental capable de délivrer des stimuli pertinents pour la tâche et des récompenses intracrâniennes en fonction du comportement de l'animal. Une fois que les rats ont appris à maintenir une position stationnaire prête au centre de l'arène, des images cibles apparaissent, nécessitant une réponse comportementale appropriée selon les règles de la tâche.

Les données neuronales horodatées pour les analyses péri-événementielles montrent des corrélats neuronaux liés à la position prête, au début de la présentation de l'image cible et à d'autres événements pertinents pour la tâche. Ce qui distingue cette technique, c'est que la course avec projection au sol exploite des preuves comportementales et anatomiques indiquant que les rats traitent l'information visuelle dans leur hémichamp visuel inférieur. De plus, les tâches conçues avec cet appareil tirent parti de la tendance naturelle du rat à explorer l'environnement.

Enfin, une grande variété de tâches cognitives guidées par des stimuli visuels peut être conçue pour explorer la fonction cognitive chez les modèles rongeurs. Nous avons mis au point le labyrinthe à projection au sol afin d'obtenir une meilleure validité et une plus grande pertinence translationnelle pour les études menées chez l'humain et les primates non humains. Cette technique présente une application plus adéquate pour comprendre les troubles humains de la mémoire et de l'attention, car ces troubles impliquent le traitement de l'information visuelle.

Le labyrinthe par projection au sol est un espace ouvert sans murs. Un écran de projection arrière sert de plancher à l'appareil. N'importe quelle forme d'arène de labyrinthe peut être placée sur le sol, ou des limites visuelles virtuelles peuvent être projetées.

Le sol de l'écran de projection arrière est constitué de trois couches. Un tissu à double vision est tendu sur une épaisse plaque rectangulaire en plexiglas. Une fine couche de plexiglas est placée au-dessus du tissu pour protéger le matériau de l'écran en sandwich.

Le matériau d'écran situé entre la plaque épaisse en plexiglas située en dessous et la plaque fine en plexiglas située au-dessus permet une projection d'image efficace. En dessous et sur le côté du labyrinthe se trouve un projecteur à courte focale qui projette des images en contre-jour sur la face inférieure du plancher du labyrinthe. Une caméra suspendue, reliée à un ordinateur équipé du module comportemental de base Cineplex, assure le suivi vidéo et l'analyse en temps réel des données de position. Pour suivre la position du rat, fixez soit des LED sur la monture crânienne du rat, soit suivez l'OID du contour du rat. L'arène d'essai destinée aux tâches comportementales, placée sur le plexiglas, doit être constituée d'un matériau mat.

Lors de l'utilisation du système d'acquisition de données neuronales, assurez-vous que le labyrinthe avec projection au sol et le système ICS sont reliés à la masse du préamplificateur afin de minimiser le bruit électrique. Habituez d'abord le rat à la salle de comportement pendant 10 minutes avec l'équipement allumé, puis ramenez le rat à la colonie le jour suivant. Répétez cette procédure.

Le troisième jour, reliez les câbles du CSI et de la tête à la rate et habituez l'animal à l'arène de test pendant 10 minutes. Le quatrième jour, déterminez l'amplitude minimale du CSI nécessaire pour établir une préférence de lieu, en utilisant un protocole conditionnel informel de préférence de lieu.

Augmentez lentement les amplitudes de l'impulsion un et de l'impulsion deux jusqu'à ce que le rat soit conditionné à l'endroit où la récompense par SIC se produit. Les valeurs typiques d'amplitude se situent entre 20 et 80 microampères. À partir du cinquième jour, délivrez une récompense par SIC pour entraîner les rats à la zone prête et à l'entrée dans les zones d'image est et ouest.

Poursuivez l'entraînement jusqu'à ce que le rat alterne entre les deux zones d'image. Il est essentiel d'entraîner les rats à maintenir une position prête stationnaire dans la zone prête. La position prête contrôle la direction depuis laquelle le rat s'approche des images cibles ainsi que les distances depuis lesquelles le rat observe les images présentées.

Pour la phase intermédiaire, introduisez 50 décibels de bruit blanc afin de signaler le début d'un essai. Éteignez le bruit blanc lorsque le rat pénètre dans la zone prête. Automatisez l'administration d'une récompense ICS au rat lorsqu'il entre dans la zone prête et lorsqu'il effectue avec succès les positions prêtes.

Réduisez progressivement les probabilités de récompense pour l’entrée dans la zone prête et pour la réussite des positions prêtes à une valeur comprise entre 0 et 10 %. Parallèlement, réduisez progressivement le temps de latence par paliers de 100 millisecondes afin d’entraîner le rat à s’arrêter et à attendre dans la position prête. À ce stade de l’entraînement, il est important de ne pas trop récompenser les rats en position prête, car un entraînement excessif entraînerait un retard dans la transition vers la phase finale de modelage et vers les règles spécifiques à la tâche.

Si le rat quitte prématurément la position prête, activez le bruit blanc. Le rat doit recommencer l'essai du côté opposé de l'arène. Passez à la phase de modelage tardif lorsque le rat est capable de maintenir de façon fiable la position prête pendant jusqu'à 1200 millisecondes par essai.

Une nouvelle durée de position prête détermine combien de temps le rat doit rester immobile avant l'apparition des images cibles. L'entraînement durant la phase finale de modelage est spécifique à la tâche et automatisé pour tous les paramètres de la tâche. Grâce à la possibilité de délivrer manuellement des récompenses ICS lors de l'entraînement initial dans la tâche de discrimination conditionnelle visuelle, entraînez les rats à une discrimination simple de forme et de luminance.

Commencez l'essai en activant le bruit blanc. Faites varier la durée requise pour que le rat reste en position prête entre les essais. Si un rat ne maintient pas de manière fiable une position prête stationnaire, délivrez une récompense par SIC.

Présentez manuellement une paire d'images dans la zone de présentation des images, en affichant de façon pseudo-aléatoire l'image correcte à gauche ou à droite de la zone d'image. Délivrez une récompense ICS lorsque le rat s'approche de l'image correcte le premier jour de l'entraînement.

Émettez uniquement une rafale de bruit blanc de 75 décibels comme dissuasion en cas de réponse incorrecte. Effectuez un essai de correction après un essai incorrect. Les essais de correction sont réalisés du côté opposé de l'arène.

Utilisez le même côté gauche ou droit correct et la même latence de position prête que lors de l'essai incorrect précédent. Une fois que le rat a réussi à effectuer la discrimination de luminance simple, introduisez la tâche de discrimination conditionnelle bicon. N'émettez pas d'impulsions sonores pour les essais incorrects.

Pour la tâche de discrimination bi-conditionnelle, l'image correcte est déterminée par le motif du sol. Par exemple, l'étoile noire est correcte lorsque le sol est rayé, et le cercle blanc est correct. Lorsque le sol est gris, les essais alternent entre les côtés est et ouest, l'image correcte étant présentée.

De manière pseudo-aléatoire sur le côté gauche ou droit de la zone d'image, présenter des essais de correction après les essais incorrects. Pour la tâche d'attention spatiale visuelle, présenter des cercles gris à des emplacements spatiaux définis. Commencer l'essai avec un bruit blanc et l'arrêter lorsque le rat entre dans la zone prête.

Une fois que le rat maintient la position prête pendant la durée requise, illuminez le cercle cible en le passant au blanc. Les emplacements corrects sont attribués de manière pseudo-aléatoire. Après que le rat a correctement terminé la position prête, illuminez un cercle cible et délivrez une récompense par stimulation corticale intracérébrale (ICS).

Lorsque le rat s'approche du cercle correct dans les cinq secondes, s'il s'approche d'un cercle différent, aucune récompense n'est délivrée. Le rat commence un nouvel essai du côté opposé de l'arène. Si le rat ne s'approche d'aucun cercle dans les cinq secondes, comptabilisez cela comme un essai d'omission.

Illuminez tout le sol et ne délivrez pas de récompense au départ. Maintenez l'illumination du cercle cible jusqu'à ce que le rat s'en approche. Au fur et à mesure de l'apprentissage, diminuez progressivement la durée pendant laquelle le cercle cible reste éclairé.

Lorsque le rat atteint une précision de 80 %, réduisez le temps d'illumination du cercle cible à une seconde sans apporter d'autres modifications. Lorsque le rat atteint 80 % de réponses correctes dans la condition d'illumination d'une seconde, diminuez le temps du signal à 500 millisecondes. La phase initiale d'apprentissage nécessite généralement de 100 à 150 essais pour que les rats alternent entre les zones est et ouest de l'arène.

Au cours de la phase initiale d'apprentissage, les rats parcourent généralement la zone prête située au centre de l'arène et passent la majeure partie de leur temps à explorer le périmètre de l'arène. Pour l'apprentissage intermédiaire, les rats nécessitent de 600 à 700 essais pour maintenir de façon fiable la position stationnaire requise. Leurs trajectoires forment des boucles stéréotypées allant de la zone prête à la zone d'image.

Avec moins de temps passé à explorer le périmètre de l'arène. À la fin de la phase de dressage intermédiaire, les rats maintiennent de manière fiable une position stationnaire prête dans la zone prête. Avant de s'approcher du stimulus visuel cible, le rat initie ensuite le prochain essai du côté opposé de l'arène.

À la fin de la phase de modelage tardif, l'activité unitaire unique et les potentiels de champ locaux ont été enregistrés par le système d'acquisition de données neuronales. Dans le cortex postal de rats réalisant la tâche VBCD, les cellules augmentaient leur fréquence de décharge au début de la présentation de la cible et diminuaient au début de la présentation du motif de sol. Dans le cortex pariétal postérieur de rats réalisant la tâche VSA, les cellules augmentaient leur fréquence de décharge en réponse à l'illumination du cercle.

Et lorsque le rat s'approchait du cercle cible dans la tâche VSA, pendant que les rats étaient en position prête avant l'illumination du cercle, l'activité du potentiel de champ local dans le cortex pariétal postérieur. Pendant l'exécution de la tâche VSA, on observait une forte puissance dans la bande thêta d'environ huit hertz. En suivant ces protocoles d'acquisition progressive et d'entraînement, on peut concevoir une multitude de tâches pour explorer les fonctions cognitives et le traitement visuel chez les modèles rongeurs.

Cette technique offre un paradigme comportemental sophistiqué aux chercheurs dans le domaine de l'apprentissage, de la mémoire et de l'attention, permettant une meilleure pertinence translationnelle des résultats obtenus chez les modèles rongeurs pour l'humain.