Automated compiti cognitivi visivi per la registrazione Neural all'attività utilizzando una proiezione Piano Maze

L'obiettivo generale di questo protocollo è dimostrare procedure ottimizzate di modellamento e addestramento per compiti cognitivi visivi completamente automatizzati e per l'acquisizione simultanea di dati neurali nei ratti, utilizzando un labirinto con proiezione sul pavimento. Questo risultato si ottiene integrando sistemi di tracciamento video e di acquisizione di dati neurali con un sistema di controllo comportamentale in grado di erogare stimoli pertinenti al compito e ricompense intracraniali in base al comportamento dell'animale. Dopo che i ratti avranno imparato a mantenere una posizione centrale stazionaria di attesa, compariranno immagini bersaglio che richiederanno una risposta comportamentale specifica in base alle regole del compito.

Dati neurali con timestamp per analisi peri-evento mostrano correlati neurali della posizione di prontezza, dell'inizio della presentazione dell'immagine bersaglio e di altri eventi rilevanti per il compito. Ciò che rende interessante questa tecnica è che la proiezione sul pavimento sfrutta evidenze comportamentali e anatomiche secondo cui i ratti elaborano le informazioni visive nel loro emicampo visivo inferiore. Inoltre, i compiti progettati con questo apparato sfruttano la tendenza naturale del ratto ad esplorare l'ambiente.

Infine, si può progettare una grande varietà di compiti cognitivi guidati dal visivo per esplorare la funzione cognitiva in modelli rodentici. Abbiamo sviluppato il labirinto con proiezione sul pavimento per ottenere una maggiore validità e rilevanza traslazionale negli studi condotti su esseri umani e primati non umani. Questa tecnica è particolarmente adatta per comprendere i disturbi umani della memoria e dell'attenzione, poiché tali disturbi implicano l'elaborazione delle informazioni visive.

Il labirinto con proiezione sul pavimento è un campo aperto senza pareti. Uno schermo di proiezione retroilluminato funge da pavimento dell'apparecchiatura. Qualsiasi forma di arena a labirinto può essere posizionata sul pavimento, oppure possono essere proiettati confini visivi virtuali.

Il pavimento dello schermo a retroproiezione è costituito da tre strati. Un tessuto a doppia visione è teso su un grosso pezzo rettangolare di plexiglass. Uno strato sottile di plexiglass viene posizionato sopra il tessuto per proteggere il materiale dello schermo, formando un sandwich.

Il materiale dello schermo compreso tra il plexiglass spesso nella parte inferiore e quello sottile nella parte superiore consente la proiezione dell'immagine più efficace al di sotto e ai lati del labirinto; al di sotto si trova un proiettore short-throw che proietta le immagini sul lato inferiore del pavimento del labirinto. Una telecamera posizionata sopra, collegata a un computer dotato del modulo comportamentale base Cineplex, fornisce il tracciamento video e l'analisi in tempo reale dei dati posizionali. Per seguire la posizione del ratto, collegare dei LED alla base cranica del ratto oppure tracciare l'OID del contorno del ratto. L'area di prova per i compiti comportamentali, posizionata sul plexiglass, deve essere realizzata in materiale opaco.

Quando si utilizza il sistema di acquisizione dei dati neurali, assicurarsi che il labirinto con proiezione sul pavimento e il sistema ICS siano messi a terra al preamplificatore per minimizzare il rumore elettrico. Abituare innanzitutto il ratto alla stanza comportamentale per 10 minuti con l'apparecchiatura accesa, quindi riportare il ratto nella colonia il giorno successivo. Ripetere questa procedura.

Al terzo giorno, collegare i cavi di ICS e della testata al ratto e abituare il ratto all'arena di prova per 10 minuti. Al quarto giorno, determinare l'ampiezza minima di ICS necessaria per stabilire una preferenza di posizione, utilizzando un protocollo informale di condizionamento della preferenza di posizione.

Aumentare lentamente l'ampiezza dell'impulso uno e dell'impulso due fino a quando il ratto non è condizionato al luogo in cui avviene la ricompensa mediante stimolazione intracranica (ICS). I valori tipici di ampiezza sono compresi tra 20 e 80 microampere. A partire dal quinto giorno, somministrare una ricompensa mediante ICS per addestrare i ratti alla zona pronta e all'ingresso nelle aree delle immagini est e ovest.

Continuare l'addestramento fino a quando il ratto alterna tra le due aree delle immagini. È fondamentale addestrare i ratti a mantenere una posizione pronta stazionaria nell'area di attesa. La posizione pronta controlla da quale direzione il ratto si avvicina alle immagini bersaglio e le distanze da cui il ratto osserva le immagini presentate.

Per la fase intermedia, introdurre 50 decibel di rumore bianco per indicare l'inizio di una prova. Spegnere il rumore bianco quando il ratto entra nell'area di prontezza. Automatizzare l'erogazione di una ricompensa ICS al ratto per l'ingresso nell'area di prontezza e per il corretto completamento delle posizioni di prontezza.

Diminuire gradualmente le probabilità di ricompensa per l'ingresso nell'area pronta e per il corretto completamento delle posizioni pronte tra lo zero e il 10%. Allo stesso tempo, ridurre progressivamente il tempo di latenza in passi di 100 millisecondi per addestrare il ratto a fermarsi e attendere nella posizione pronta. In questa fase dell'addestramento, è importante non ricompensare eccessivamente i ratti nella posizione pronta, poiché un addestramento eccessivo comporterebbe un ritardo nella transizione verso la fase avanzata di modellamento e verso le regole specifiche del compito.

Se il ratto interrompe prematuramente la posizione di attesa, attivare il rumore bianco. Il ratto deve ripetere la prova sul lato opposto dell'arena. Passare alla fase successiva della modellazione quando il ratto riesce a mantenere in modo affidabile la posizione di attesa fino a 1200 millisecondi per ogni prova.

Una nuova durata della posizione pronta determina per quanto tempo il ratto deve rimanere fermo prima che appaiano le immagini bersaglio. L'addestramento durante la fase avanzata di modellamento è specifico per il compito ed è automatizzato in tutti i parametri della prova. Con la possibilità di somministrare manualmente ricompense ICS durante l'addestramento iniziale nel compito di discriminazione visiva condizionale, addestrare i ratti a discriminare semplici forme e luminanza.

Iniziare la prova attivando il rumore bianco. Variare la durata richiesta affinché il ratto rimanga nella posizione pronta tra una prova e l'altra. Se un ratto non mantiene in modo affidabile una posizione pronta stazionaria, somministrare una ricompensa ICS.

Presentare manualmente una coppia di immagini nell'area di presentazione delle immagini, mostrando in modo pseudo casuale l'immagine corretta a sinistra o a destra dell'area. Erogare una ricompensa ICS quando il ratto si avvicina all'immagine corretta nel primo giorno di addestramento.

Emittere un impulso di rumore bianco di 75 decibel solo come deterrente per una risposta errata. Eseguire una prova di correzione dopo una prova errata. Le prove di correzione vengono effettuate sul lato opposto dell'arena.

Utilizzare lo stesso lato corretto, sinistro o destro, e la stessa latenza della posizione pronta del precedente tentativo errato. Una volta che il ratto avrà eseguito con successo la discriminazione semplice di luminanza, introdurre il compito di discriminazione condizionale bicondizionale. Non emettere burst di rumore per i tentativi errati.

Per il compito di discriminazione bicondizionale, l'immagine corretta è determinata dal motivo del pavimento. Ad esempio, la stella nera è corretta quando il pavimento è a strisce e il cerchio bianco è corretto. Quando il pavimento è grigio, le prove alternano tra i lati est e ovest con l'immagine corretta presentata.

In modo pseudo casuale sul lato sinistro o destro dell'area dell'immagine, implementare prove correttive dopo prove errate. Per il compito di attenzione spaziale visiva, presentare cerchi grigi in posizioni spaziali definite. Iniziare la prova con rumore bianco e spegnerlo quando il ratto entra nell'area di prontezza.

Dopo che il ratto mantiene la posizione di attesa per la durata richiesta, illuminare il cerchio bersaglio rendendolo bianco. Le posizioni corrette vengono assegnate in modo pseudo casuale. Dopo che il ratto ha completato con successo la posizione di attesa, illuminare un cerchio bersaglio e somministrare una ricompensa ICS.

Quando il ratto si avvicina al cerchio corretto entro cinque secondi, se si avvicina a un cerchio diverso, non viene erogata alcuna ricompensa. Il ratto inizia un nuovo tentativo dal lato opposto dell'arena. Se il ratto non si avvicina a nessun cerchio entro cinque secondi, registrare questo come un tentativo di omissione.

Illumina l'intero pavimento e inizialmente non somministrare alcuna ricompensa. Mantieni illuminato il cerchio bersaglio finché il ratto non si avvicina. Man mano che l'apprendimento progredisce, riduci gradualmente il tempo durante il quale il cerchio bersaglio rimane illuminato.

Quando il ratto raggiunge un'accuratezza dell'80%, ridurre il tempo di illuminazione sul cerchio bersaglio a un secondo senza apportare altre modifiche. Quando il ratto raggiunge l'80% di risposte corrette nella condizione di illuminazione di un secondo, ridurre il tempo del segnale a 500 millisecondi. La fase iniziale di modellamento richiede tipicamente da 100 a 150 prove perché i ratti alternino tra le aree dell'immagine est e ovest dell'arena.

Nelle prime fasi della formazione, i ratti attraversano tipicamente l'area di attesa al centro dell'arena e trascorrono la maggior parte del tempo a esplorare il perimetro dell'arena. Nella formazione intermedia, ai ratti sono necessarie da 600 a 700 prove per mantenere in modo affidabile la posizione stazionaria richiesta. I loro percorsi consistono in traiettorie ripetitive a forma di anello che vanno dall'area di attesa fino all'area dell'immagine.

Con meno tempo dedicato all'esplorazione del perimetro dell'arena. Alla fine della modellazione intermedia, i ratti mantengono in modo affidabile una posizione stazionaria di prontezza nell'area di attesa. Prima di avvicinarsi allo stimolo visivo bersaglio, il ratto inizia quindi il successivo trial sul lato opposto dell'arena.

Alla fine della fase di modellamento, l'attività di unità singole e i potenziali di campo locali sono stati raccolti mediante il sistema di acquisizione dati neurali. Nella corteccia postale di ratti che eseguivano il compito VBCD, le cellule aumentavano la loro frequenza di scarica all'inizio della presentazione del bersaglio e la riducevano all'inizio della presentazione del modello del pavimento. Nella corteccia parietale posteriore di ratti che eseguivano il compito VSA, le cellule aumentavano la loro frequenza di scarica in risposta all'illuminazione del cerchio.

E quando il ratto si avvicinava al cerchio bersaglio nel compito VSA, mentre i ratti erano in posizione di attesa prima dell'illuminazione del cerchio, si osservava un'attività del potenziale di campo locale nella corteccia parietale posteriore. Durante l'esecuzione del compito VSA si evidenziava una forte potenza nella banda theta a circa otto hertz. Seguendo questi protocolli di modellamento e addestramento, è possibile progettare una molteplicità di compiti per esplorare la funzione cognitiva e l'elaborazione visiva nei modelli rodentici.

Questa tecnica fornisce un paradigma comportamentale sofisticato per i ricercatori nel campo della memoria, dell'apprendimento e dell'attenzione, offrendo una maggiore rilevanza translazionale dei risultati ottenuti nei modelli rodentici rispetto all'uomo.