フロアプロジェクション迷路を用いた記録神経活動のための自動化された視覚認知課題

本プロトコルの総合的な目的は、フロアプロジェクション迷路を用いて、ラットにおける完全自動化された視覚認知タスクおよび同時神経データ収集のための、最適化されたシェイピング（形成）およびトレーニング手順を実証することである。これは、ビデオトラッキングおよび神経データ収集システムを、動物の行動に応じてタスクに関連する刺激や頭蓋内報酬を提示可能な行動制御システムと統合することによって達成される。ラットがアリーナの中央で静止した準備姿勢を維持することを学習した後、タスクルールに従って適切な行動反応を必要とするターゲット画像が表示される。

イベント周辺解析のためのタイムスタンプ付き神経データは、準備姿勢、標的画像の提示開始、およびその他のタスクに関連するイベントに対する神経相関を示します。この手法の特筆すべき点は、床投影レースにおいて、ラットが下位視覚半視野で視覚情報を処理するという行動学的および解剖学的根拠を利用していることです。また、この装置で設計されたタスクは、環境を探索するというラットの自然な傾向を利用しています。

最後に、視覚誘導性の認知タスクを数多く設計することで、げっ歯類モデルにおける認知機能を探索することが可能です。私たちは、ヒトおよび非ヒト霊長類を対象とした研究において、より高い妥当性とトランスレーショナルな関連性を持たせるため、フロアプロジェクション迷路を開発しました。これらの疾患は視覚情報の処理を伴うため、この手法はヒトの記憶および注意障害を理解する上でより有効に活用できます。

フロアプロジェクション迷路は、壁のないオープンフィールドです。装置の床としてリアプロジェクションスクリーンが使用されます。床の上に任意の形状の迷路アリーナを設置することも、仮想的な視覚的境界を投影することも可能です。

背面投影スクリーンの床面は3層構造で構成されています。厚い長方形のプレキシガラスの上に、デュアルビジョンファブリックが張り詰められています。スクリーン素材を保護するため、そのファブリックの上に薄いプレキシガラスの層が配置され、サンドイッチ状になっています。

厚いプレキシガラスを下層に、薄いプレキシガラスを上層にしたスクリーン素材を用いることで、最も効果的な画像投影が可能になります。迷路の下部および側面に設置された短焦点プロジェクターが、迷路の床面の下側から画像を背面投影します。Cineplex基本行動モジュールを備えたコンピュータに接続されたオーバーヘッドカメラにより、ビデオトラッキングと位置データのオンライン解析が行われます。ラットの位置を追跡するには、ラットのヘッドステージにLEDを取り付けるか、ビデオトラッキングシステムを用いてラットの輪郭のOIDを追跡します。行動課題用にプレキシガラス上に配置される試験アリーナは、マット素材で構成する必要があります。

神経データ収集システムを使用する際は、電気的ノイズを最小限に抑えるため、床投影迷路とICSシステムがプリアンプに接地されていることを確認してください。まず、装置の電源を入れた状態で、ラットを行動解析室に10分間順化させ、翌日にラットを飼育室に戻します。この操作を繰り返してください。

3日目の手順では、ICSおよびヘッドステージのテザーをラットに接続し、テストアリーナに10分間慣らします。4日目には、非公式の場所好みの条件付けプロトコルを用いて、場所好みを形成させるための最低ICS振幅を決定します。

ラットがICS報酬が発生する場所に条件付けされるまで、パルス1およびパルス2の振幅をゆっくりと増加させます。一般的な振幅値は20から80 micro ampersの間です。5日目以降は、ラットを準備エリアおよび東西のイメージエリアへの進入へと訓練するために、ICS報酬を与えます。

ラットが2つの画像領域を交互に選択するようになるまでトレーニングを継続します。ラットに準備領域で静止した待機姿勢を維持させるトレーニングを行うことが極めて重要です。この待機姿勢によって、ラットが標的画像に接近する方向および提示された画像を見る距離が制御されます。

中間段階では、試行の開始を知らせるために50デシベルのホワイトノイズを提示します。ラットが準備エリアに入ったら、ホワイトノイズを停止させます。準備エリアへの進入および準備姿勢の正常な完了に対し、ICS報酬を自動的に投与するように設定します。

準備エリアへの進入および準備姿勢の正常な完了に対する報酬確率を、0%から10%の間まで徐々に低下させます。同時に、準備姿勢での待機時間を100ミリ秒刻みで段階的に増やし、ラットに準備姿勢で停止して待機することを学習させます。トレーニングのこの段階では、準備姿勢での報酬を与えすぎないことが重要です。過剰にトレーニングを行うと、後半のシェイピングやタスク特異的なルールへの移行が遅れるためです。

ラットが準備状態で早すぎるタイミングで離脱した場合は、ホワイトノイズを流します。ラットはアリーナの反対側で試行をやり直す必要があります。各試行において、ラットが最大1200 millisecondsの間、確実に準備状態を維持できるようになったら、後半のシェイピングへと移行します。

新しいレディポジションの持続時間は、ターゲット画像が表示されるまでにラットが静止していなければならない時間を決定します。後半のシェイピング段階におけるトレーニングはタスク固有であり、すべてのタスクパラメータで自動化されています。視覚的条件付き差別学習タスクの初期トレーニングにおいてICS報酬を手動で提供できる柔軟性を活用し、単純な形状および輝度の差別学習をラットにトレーニングさせます。

ホワイトノイズを流して試行を開始します。ラットがレディポジション（準備姿勢）を維持すべき必要時間を、試行ごとに変化させます。ラットが安定して静止したレディポジションを維持できない場合は、ICS報酬を与えます。

画像提示エリアに一組の画像を提示し、正解の画像を左右いずれかに擬似ランダムに提示します。トレーニングの1日目に、ラットが正解の画像に近づいた際に、ICS報酬を与えます。

誤反応に対する抑止策として、75 decibelのホワイトノイズを短時間のみ提示します。誤反応があった試行の後には、修正試行を行います。修正試行はアリーナの反対側で実施します。

直前の誤答試行と同じ正しい左右の方向および準備姿勢のレイテンシを使用します。ラットが単純輝度識別を完遂できたら、二肢条件識別タスクを導入してください。誤答試行に対してノイズバーストを提示しないでください。

双条件弁別課題では、正解の画像は床のパターンによって決定されます。例えば、床がストライプ模様の場合は黒い星が正解となり、白い円が正解となります。床がグレーの場合は、正解の画像が提示される側が東側と西側で交互に切り替わります。

誤答試行の後には、画像領域の左右いずれかに擬似ランダムに補正試行を導入します。視覚空間注意タスクでは、定義された空間位置にグレーの円を提示します。試行開始時にホワイトノイズを流し、ラットが準備エリアに入った時点でそれを停止させます。

ラットが必要な時間 동안 待機姿勢を維持した後、ターゲットとなる円を白色に点灯させます。正解の場所は擬似ランダムに割り当てられます。ラットが待機姿勢を正常に完了した後、ターゲット円を点灯させ、ICS報酬を与えます。

ラットが5秒以内に正解の円に近づいた場合に報酬を与えます。ラットが別の円に近づいた場合は、報酬を与えません。ラットはアリーナの反対側で新しい試行を開始します。ラットが5秒以内にどの円にも近づかなかった場合は、これを「脱落試行（omission trial）」として記録します。

フロア全体を照らし、最初は報酬を与えないでください。ラットがターゲットサークルに近づくまで、そのサークルを点灯させたままにします。学習が進むにつれて、ターゲットサークルの点灯時間を徐々に短くしてください。

ラットの正答率が80%に達したら、ターゲットサークルの照明時間を1秒に短縮し、それ以外の条件は変更しません。1秒の照明条件下で正答率80%を達成したら、キュー時間を500ミリ秒に短縮します。初期のシェーピングでは、ラットがアリーナの東側と西側の画像エリアを交互に選択できるようになるまで、通常100回から150回の試行を必要とします。

シェイピングの初期段階では、ラットは通常、アリーナ中央の待機エリアを通り抜け、時間の大部分をアリーナの周囲の探索に費やします。中段階のシェイピングでは、規定の静止待機姿勢を確実に維持できるようになるまで、600回から700回の試行が必要です。この段階での移動経路は、待機エリアから画像エリアへ向かう定型的なループ状になります。

アリーナの周囲を探索する時間が減少します。中間的なシェイピングの終了までに、ラットは待機エリアで安定して静止した待機姿勢を維持できるようになります。その後、標的となる視覚刺激に近づく前に、ラットはアリーナの反対側で次の試行を開始します。

シェイピングの最終段階において、単一ユニット活動および局所フィールド電位活動が神経データ収集システムによって記録されました。VBCDタスクを遂行するラットの後帯状皮質では、ターゲット提示の開始時に細胞の発火率が上昇し、床パターンの提示開始時に低下しました。VSAタスクを遂行するラットの後頭頂皮質では、円形の照明に反応して細胞の発火率が上昇しました。

VSAタスクにおいて、ラットがターゲットサークルに近づき、サークルが点灯する前の待機状態にあるとき、後頭頂皮質の局所電場電位活動は、VSAタスクの遂行中に約8 Hzのシータ波帯域で強いパワーを示しました。これらのシェイピングおよびトレーニングプロトコルに従うことで、齧歯類モデルにおける認知機能や視覚処理を探索するための多様なタスクを設計することが可能です。

この手法は、学習、記憶、および注意の研究分野に従事する研究者に高度な行動パラダイムを提供し、げっ歯類モデルで得られた知見のヒトへの翻訳的妥当性を高めるものです。