משימות אוטומטיות חזותית קוגניטיבית להקלטה עצבית פעילות באמצעות הקרנה מקיר לקיר מבוך

המטרה הכללית של פרוטוקול זה היא להדגים הליכי עיצוב ואימון מותאמים למשימות קוגניטיביות חזותיות אוטומטיות לחלוטין ורכישת נתונים עצביים סימולטנית בחולדות באמצעות מבוך בהקרנה על הרצפה. דבר זה מושג על ידי שילוב מערכות מעקב וידאו ורכישת נתונים עצביים עם מערכת בקרה התנהגותית המסוגלת להגיש גירויים רלוונטיים למשימה ותגמול תוך-גולגולתי בהתאם להתנהגות החיה. לאחר שהחולדות לומדות להישאר בעמדת מוכנות סטטית במרכז הזירה, מופיעות תמונות מטרה הדורשות תגובה התנהגותית רלוונטית בהתאם לכללי המשימה.

נתונים עצביים עם חותמת זמן עבור ניתוחים סביב אירועים מראים קורלטים עצביים למצב המוכנות, לתחילת הצגת תמונת המטרה ולאירועים אחרים הרלוונטיים למטלה. הייחוד של טכניקה זו הוא שהמירוץ באמצעות הקרנה על הרצפה מנצל ראיות התנהגותיות ואנטומיות לכך שחולדות מעבדות מעבדות מידע חזותי בחצי השדה החזותי התחתון שלהן. כמו כן, מטלות שתוכננו במכשיר זה מנצלות את נטייתן הטבעית של חולדות לחקור את הסביבה.

לבסוף, ניתן לתכנן מגוון רחב של משימות קוגניטיביות מודרכות חזותית כדי לחקור תפקוד קוגניטיבי במודלים של מכרסמים. פיתחנו את מבוך ההקרנה על הרצפה כדי להשיג תוקף טוב יותר ורלוונטיות תרגומית למחקרים הנערכים בבני אדם ובפרימטים שאינם בני אדם. לטכניקה זו יש יישום טוב יותר להבנת הפרעות זיכרון וקשב בבני אדם, מכיוון שהפרעות אלו כוללות עיבוד של מידע חזותי.

מבוך השלכת הרצפה הוא שטח פתוח ללא קירות. מסך השלכה אחורי משמש כרצפת המכשיר. ניתן להניח על הרצפה זירה בצורה של מבוך כלשהי, או להקרין גבולות חזותיים וירטואליים.

רצפת מסך ההקרנה האחורית בנויה משלוש שכבות. בד ראייה כפולה מתוח מעל חתיכה מלבנית עבה של פרספקס (plexiglass). שכבה דקה של פרספקס מונחת מעל הבד כדי להגן על חומר המסך בתוך מבנה הסנדוויץ'.

חומר המסך שבין הפלקסיגלס העבה למטה לפלקסיגלס הדק למעלה מאפשר את הקרנת התמונה היעילה ביותר. מתחת למבוך ובצדו ממוקם מקרן בעל מרחק הקרנה קצר (short throw projector), המקרין תמונות על הצד התחתון של רצפת המבוך. מצלמה עילית המחוברת למחשב עם מודול התנהגות בסיסי של Cineplex מספקת מעקב וידאו וניתוח מקוון של נתוני מיקום. כדי לעקוב אחר מיקום החולדה, יש לחבר נוריות LED לבמה שעל ראש החולדה או לעקוב אחר ה-OID של קווי המתאר של החולדה. באמצעות מערכת מעקב הווידאו, זירת הבדיקה למטלות התנהגותיות המוצבת על הפלקסיגלס צריכה להיות constructed מחומר מט.

בעת שימוש במערכת לרכישת נתונים עצביים, ודאו שמבוך הקרנת הרצפה ומערכת ה-ICS מוארקים למגבר הקדם כדי למזער רעש חשמלי. ראשית, הרגילו את החולדה לחדר ההתנהגות למשך 10 דקות כאשר הציוד דולק, ולאחר מכן החזירו את החולדה למחסום (colony) למחרת. חזרו על פעולה זו.

בשלב השלישי, חברו את כבלי ה-ICS וראש הממשק (head stage) לחולדה והרגילו את החולדה לזירת הבדיקה למשך 10 דקות. ביום הרביעי, קבעו את אמפליטודת ה-ICS הנמוכה ביותר להבטחת העדפת מקום, תוך שימוש בפרוטוקול התניה לא פורמלי להעדפת מקום.

העלו באיטיות את האמפליטודות של פולס 1 ופולס 2 עד שהחולדה תהיה מותנית למקום שבו מתרחש התגמול ב-ICS. ערכי אמפליטודה טיפוסיים הם בין 20 ל-80 micro ampers. מהיום החמישי ואילך, העניקו תגמול ב-ICS כדי לאמן את החולדות להגיע לאזור ההמתנה ולכניסה לאזורי התמונה המזרחי והמערבי.

המשיכו באימון עד שהחולדה תתחיל להחליף בין שני אזורי התמונות. קריטי לאמן את החולדות לשמור על תנוחת מוכנות נייחת באזור המוכנות. תנוחת המוכנות שולטת בכיוון ממנו ניגשת החולדה לתמונות המטרה ובמרחקים מהם היא צופה בתמונות המוצגות.

עבור השלב הביניים, השמיעו רעש לבן בעוצמה של 50 decibels כדי לסמן את תחילת הניסוי. כבו את הרעש הלבן כאשר החולדה נכנסת לאזור ההמתנה (ready area). הפעילו הגשה אוטומטית של גמול ICS עבור החולדה על כניסה לאזור ההמתנה ועל השלמה מוצלחת של תנוחות ההמתנה.

הפחית בהדרגה את הסתברויות התגמול עבור כניסה לאזור ההמתנה (ready area) והשלמה מוצלחת של תנוחות ההמתנה (ready positions) לטווח שבין 0% ל-10%. במקביל, הגדל בהדרגה את זמני ההמתנה (latencies) בתנוחת ההמתנה בצעדים של 100 millisecond כדי לאמן את החולדה לעצור ולהמתין בתנוחת ההמתנה. בשלב זה של האימון, חשוב לא לתגמל יתר על מידה חולדות בתנוחת ההמתנה, שכן אימון יתר יוביל לעיכוב במעבר לשלב העיצוב המאוחר (late shaping) ולכללים הספציפיים של המשימה.

אם החולדה יוצאת ממצב המוכנות בטרם עת, הפעל את הרעש הלבן. על החולדה להתחיל מחדש את הניסוי בצדה הנגדי של הזירה. עבור לשלב העיצוב המאוחר (late shaping) כאשר החולדה מסוגלת לשמור באופן עקבי על מצב המוכנות למשך עד 1200 milliseconds בכל ניסוי.

משך זמן תנוחה חדש קובע כמה זמן על החולדה להישאר ללא תנועה לפני הופעת תמונות המטרה. האימון במהלך שלב העיצוב המאוחר הוא ספציפי למטלה ואוטומטי בכל פרמטרי המטלה. באמצעות הגמישות להעניק ידנית גמולי ICS עבור האימון הראשוני במטלת אפליה חזותית מותנית, ניתן לאמן חולדות על אפליה פשוטה של צורה ועוצמת בהירות.

התחילו את הניסוי על ידי הפעלת הרעש הלבן. גוון בין הניסיונות את משך הזמן הנדרש מהחולדה להישאר במצב מוכנות. אם החולדה אינה שומרת באופן עקבי על מצב מוכנות סטטי, העניקו פרס ICS.

הצג ידנית זוג תמונות באזור הצגת התמונות, והצג באופן פסאודו-אקראי את התמונה הנכונה בצד שמאל או ימין של אזור התמונות. הענק גמול ICS כאשר החולדה ניגשת לתמונה הנכונה ביום הראשון של האימון.

השמיעו פרץ של רעש לבן בעוצמה של 75 דציבלים רק כהרתעה על תגובה שגויה. לאחר ניסוי שבו התקבלה תגובה שגויה, בצעו ניסוי תיקון. ניסויי תיקון מבוצעים בצד הנגדי של הזירה.

השתמשו באותה צד (שמאל או ימין) ובאותה השהייה של מצב המוכנות (Position latency) כפי שהיה בניסוי השגוי הקודם. ברגע שהחולדה ביצעה בהצלחה את אפליה הלומניסנס הפשוטה, הציגו את מטלת האפליה המותנית הדו-ביקונית (bicon Conditional discrimination). אין להשמיע פרצי רעש בניסיונות שגויים.

במטלת האפליה הבי-מותנית, התמונה הנכונה נקבעת על ידי תבנית הרצפה. לדוגמה, הכוכב השחור הוא הנכון כאשר הרצפה מפוספסת והעיגול הלבן הוא הנכון. כאשר הרצפה אפורה, הניסיונות מתחלפים בין הצד המזרחי למערבי, כאשר מוצגת התמונה הנכונה.

בצעו ניסיוני תיקון בעקבות ניסיונות שגויים, באופן פסאודו-אקראי בצד שמאל או ימין של אזור התמונה. עבור משימת קשב מרחבי חזותי, הציגו עיגולים אפורים במיקומים מרחביים מוגדרים. התחילו את הניסוי עם רעש לבן והשביתו אותו כאשר החולדה נכנסת לאזור ההמתנה.

לאחר שהחולדה שומרת על תנוחת ההמתנה למשך הזמן הנדרש, הדליקו את עיגול המטרה על ידי שינוי צבעו ללבן. מיקומים נכונים נקבעים באופן פסאודו-אקראי. לאחר שהחולדה השלימה בהצלחה את תנוחת ההמתנה, הדליקו עיגול מטרה והעניקו פרס ICS.

כאשר החולדה ניגשת למעגל הנכון בתוך חמישה שניות, אם החולדה ניגשת למעגל אחר, לא יינתן גמול. החולדה תתחיל ניסוי חדש בצד הנגדי של הזירה. אם החולדה אינה ניגשת לשום מעגל בתוך חמישה שניות, רשום זאת כניסוי של השמטה.

האירו את כל הרצפה ואל תעניקו תגמול בתחילה. השאירו את מעגל המטרה מואר עד שהחולדה תתקרב אליו. ככל שהלמידה תתקדם, הפחיתו בהדרגה את משך הזמן שבו מעגל המטרה נשאר מואר.

כאשר החולדה מגיעה ל-80% דיוק, יש להקטין את זמן ההארה של מעגל המטרה לשנייה אחת ולא לבצע שינויים נוספים. כאשר החולדה משיגה 80% תשובות נכונות בתנאי ההארה של שנייה אחת, יש להקטין את זמן הרמז ל-500 מילי-שניות. עיצוב מוקדם דורש בדרך כלל בין 100 ל-150 ניסיונות כדי שהחולדות יחליפו בין אזורי התמונה המזרחיים והמערביים של הזירה.

במהלך שלב העיצוב המוקדם, החולדות בדרך כלל רצות דרך אזור ההמתנה במרכז הזירה ומבלות את רוב זמנן בחקירת היקף הזירה. עבור עיצוב בינוני, החולדות זקוקות ל-600 עד 700 ניסיונות כדי לשמור באופן עקבי על תנוחת ההמתנה הסטטית הנדרשת. נתיביהן הם לולאות סטריאוטיפיות מאזור ההמתנה לאזור התמונה.

עם פחות זמן המוקדש לחקירת היקף הזירה. עד לסיום שלב העיצוב הבינוני, חולדות שומרות באופן עקבי על תנוחה סטטית של מוכנות באזור ההמתנה. לפני הגישה לגירוי הוויזואלי של המטרה, החולדה מתחילה את הניסוי הבא בצדה השני של הזירה.

בסוף שלב העיצוב המאוחר, נאספו פעילות של יחידות בודדות ופוטנציאל שדה מקומי באמצעות מערכת לרכישת נתונים עצביים. בקליפת המוח הפוסטריורית של חולדות שביצעו את משימת ה-VBCD, תאים הגבירו את קצב הפריקה שלהם עם תחילת הצגת היעד והפחיתו אותו עם תחילת הצגת תבנית הרצפה. בקליפת המוח הפריאטלית האחורית של חולדות שביצעו את משימת ה-VSA, תאים הגבירו את קצב הפריקה שלהם בתגובה להארת המעגל.

וכאשר החולדה התקרבה למעגל המטרה במטלת ה-VSA, בעוד שהחולדות היו בעמדת מוכנות לפני הדלקת המעגל, פעילות פוטנציאל השדה המקומי בקליפת המוח הפריאטלית האחורית במהלך הביצוע במטלת ה-VSA הראתה עוצמה חזקה בטווח התטא, בערך שמונה הרץ. באמצעות מעקב אחר פרוטוקולי העיצוב והאימון הללו, ניתן לתכנן מגוון רחב של מטלות לבחינת תפקוד קוגניטיבי ועיבוד חזותי במודלים של מכרסמים.

טכניקה זו מספקת פרדיגמה התנהגותית מתוחכמת לחוקרים בתחום הלמידה, הזיכרון והקשב, המעניקה רלוונטיות תרגומית טובה יותר לממצאים ממודלים של מכרסמים לבני אדם.