바닥 투사 미로를 사용하여 녹음 신경 활동에 대한 자동화 된 시각인지 작업

본 프로토콜의 전반적인 목표는 바닥 투사 미로를 이용하여 쥐를 대상으로 한 완전 자동화된 시각 인지 과제 수행 및 동시 신경 데이터 수집을 위한 최적화된 셰이핑(shaping)과 훈련 절차를 입증하는 것입니다. 이는 비디오 트래킹 및 신경 데이터 수집 시스템을, 동물의 행동에 따라 과제 관련 자극과 두개내 보상을 제공할 수 있는 행동 제어 시스템과 통합함으로써 달성됩니다. 쥐가 아레나 중앙에서 정지된 준비 자세를 유지하는 법을 학습하면, 과제 규칙에 따라 적절한 행동 반응이 요구되는 표적 이미지가 나타납니다.

이벤트 주변 분석을 위한 타임스탬프가 찍힌 신경 데이터는 준비 자세, 표적 이미지 제시의 시작 및 기타 작업 관련 이벤트에 대한 신경 상관관계를 보여줍니다. 이 기술의 특징은 바닥 투사 경주가 쥐가 하단 시야 반야에서 시각 정보를 처리한다는 행동 및 해부학적 근거를 활용한다는 점입니다. 또한, 이 장치에서 설계된 작업은 환경을 탐색하려는 쥐의 자연스러운 성향을 이용합니다.

마지막으로, 설치류 모델에서 인지 기능을 탐구하기 위해 시각 유도 인지 과제를 다양하게 설계할 수 있습니다. 본 연구진은 인간 및 비인간 영장류를 대상으로 수행되는 연구와의 타당성과 중개 관련성을 높이기 위해 바닥 투사 미로(floor projection maze)를 개발하였습니다. 이러한 질환들은 시각 정보 처리를 수반하기 때문에, 이 기술은 인간의 기억 및 주의력 장애를 이해하는 데 더 효과적으로 적용될 수 있습니다.

바닥 투사 미로는 벽이 없는 오픈 필드입니다. 후면 투사 스크린이 장치의 바닥 역할을 합니다. 바닥에 어떤 모양의 미로 아레나든 배치할 수 있으며, 가상의 시각적 경계선을 투사할 수도 있습니다.

후방 투사 스크린 바닥은 세 개의 층으로 구성됩니다. 두꺼운 직사각형 플렉시글라스 조각 위에 듀얼 비전 패브릭을 팽팽하게 펴서 고정합니다. 그 후, 스크린 재질을 보호하기 위해 패브릭 위에 얇은 플렉시글라스 층을 덮어 샌드위치 구조로 배치합니다.

두꺼운 플렉시글라스 하단과 얇은 플렉시글라스 상단 사이의 스크린 소재는 가장 효과적인 이미지 투사를 가능하게 하며, 미로의 아래쪽과 측면에는 단초점 프로젝터가 배치되어 미로 바닥면의 아래쪽으로 이미지를 후면 투사합니다. Cineplex 기본 행동 모듈이 탑재된 컴퓨터에 연결된 오버헤드 카메라는 비디오 트래킹과 위치 데이터의 온라인 분석을 제공합니다. 쥐의 위치를 추적하려면 쥐의 헤드 스테이지에 LED를 부착하거나 비디오 트래킹 시스템을 사용하여 쥐 윤곽의 OID를 추적하십시오. 행동 과제를 위해 플렉시글라스 위에 배치되는 테스트 아레나는 매트 소재로 제작해야 합니다.

신경 데이터 수집 시스템을 사용할 때, 전기적 노이즈를 최소화하기 위해 바닥 투사 미로와 ICS 시스템이 프리앰플리파이어에 접지되었는지 확인하십시오. 먼저 장비를 켠 상태에서 쥐를 행동 실험실에 10분 동안 적응시킨 후, 다음 날 쥐를 사육실로 돌려보냅니다. 이 과정을 반복하십시오.

셋째 날 단계에서는, ICS와 헤드 스테이지 테더를 쥐에 연결하고 10분 동안 쥐를 테스트 아레나에 적응시킵니다. 넷째 날에는 비정식 장소 선호 조건화 프로토콜을 사용하여 장소 선호를 형성하기 위한 최저 ICS 진폭을 결정합니다.

쥐가 ICS 보상이 발생하는 위치에 조건화될 때까지 펄스 1과 펄스 2의 진폭을 천천히 높입니다. 일반적인 진폭 값은 20에서 80 micro ampers 사이입니다. 5일째부터는 쥐가 준비 영역으로 이동하고 동쪽 및 서쪽 이미지 영역으로 진입하도록 훈련시키기 위해 ICS 보상을 제공합니다.

쥐가 두 이미지 영역 사이를 번갈아 이동할 때까지 훈련을 계속하십시오. 쥐가 준비 영역에서 정지된 준비 자세를 유지하도록 훈련시키는 것이 매우 중요합니다. 준비 자세는 쥐가 표적 이미지에 접근하는 방향과 제시된 이미지를 보는 거리를 제어합니다.

중간 단계에서는 시행의 시작을 알리기 위해 50 decibels의 백색 소음을 들려줍니다. 쥐가 준비 구역에 진입하면 백색 소음을 끕니다. 쥐가 준비 구역에 진입하고 준비 자세를 성공적으로 완료했을 때 ICS 보상을 제공하도록 자동화합니다.

준비 구역 진입 및 준비 자세의 성공적인 완료에 대한 보상 확률을 0%에서 10% 사이로 서서히 낮춥니다. 동시에, 쥐가 준비 자세에서 멈춰 기다리도록 훈련시키기 위해 준비 자세 유지 대기 시간을 100 millisecond 단계로 점차 늘립니다. 훈련의 이 단계에서는 준비 자세에 있는 쥐에게 과도한 보상을 주지 않는 것이 중요한데, 과도한 훈련은 후기 셰이핑(shaping) 및 과제 특이적 규칙으로의 전이를 지연시키기 때문입니다.

쥐가 준비 자세를 조기에 이탈하는 경우, 백색 소음을 켭니다. 쥐는 아레나의 반대편에서 시행을 다시 시작해야 합니다. 쥐가 매 시행마다 최대 1200 milliseconds 동안 준비 자세를 안정적으로 유지할 수 있게 되면 후기 쉐이핑 단계로 넘어갑니다.

새로운 준비 자세 지속 시간은 표적 이미지가 나타나기 전까지 쥐가 정지 상태를 유지해야 하는 시간을 결정합니다. 후기 셰이핑(shaping) 기간 동안의 훈련은 과제에 특화되어 있으며 모든 과제 매개변수에서 자동화됩니다. 시각적 조건부 변별 과제의 초기 훈련 시 ICS 보상을 수동으로 제공할 수 있는 유연성을 활용하여, 쥐가 단순한 모양 및 휘도 변별을 수행하도록 훈련시키십시오.

백색 소음을 켜서 시험을 시작합니다. 시험 간에 쥐가 준비 자세를 유지해야 하는 요구 시간을 다르게 설정하십시오. 쥐가 정지된 준비 자세를 안정적으로 유지하지 못하는 경우, ICS 보상을 제공하십시오.

이미지 제시 영역에 한 쌍의 이미지를 수동으로 제시하며, 정답 이미지를 이미지 영역의 왼쪽 또는 오른쪽에 유사 무작위로 제시합니다. 훈련 첫째 날에 쥐가 정답 이미지에 접근하면 ICS 보상을 제공합니다.

오답 반응이 나타난 경우에만 저지 수단으로 75 decibel의 화이트 노이즈 버스트를 출력합니다. 오답 시행 후에는 수정 시행을 진행합니다. 수정 시행은 아레나의 반대편에서 수행됩니다.

이전의 오답 시행과 동일한 정답 방향(좌측 또는 우측) 및 준비 자세 대기 시간을 사용하십시오. 쥐가 단순 휘도 구별을 성공적으로 수행하면, 이분 조건 구별 과제를 도입하십시오. 오답 시행 시에는 소음 자극을 주지 마십시오.

이중 조건 변별 과제에서 정답 이미지는 바닥 패턴에 의해 결정됩니다. 예를 들어, 바닥이 줄무늬일 때는 검은색 별이 정답이며, 흰색 원이 정답일 때도 있습니다. 바닥이 회색일 때는 정답 이미지가 제시되는 위치가 동쪽과 서쪽 사이에서 교대로 바뀝니다.

오답 시행 후에는 이미지 영역의 왼쪽 또는 오른쪽 중 한 곳에 무작위로 보정 시행을 실시합니다. 시각 공간 주의력 과제의 경우, 정의된 공간 위치에 회색 원을 제시합니다. 백색 소음으로 시행을 시작하고, 쥐가 준비 영역에 진입하면 소음을 끕니다.

쥐가 정해진 시간 동안 준비 자세를 유지하면, 타겟 원을 흰색으로 밝혀 표시합니다. 정확한 위치는 의사 랜덤(pseudo randomly) 방식으로 지정됩니다. 쥐가 준비 자세를 성공적으로 완료하면, 타겟 원을 점등하고 ICS 보상을 제공합니다.

쥐가 5초 이내에 정답 원으로 접근하면 보상이 제공되지만, 다른 원으로 접근하는 경우에는 보상이 제공되지 않습니다. 그 후 쥐는 아레나의 반대편에서 새로운 시행을 시작합니다. 만약 쥐가 5초 이내에 어떤 원으로도 접근하지 못하면, 이를 누락 시행(omission trial)으로 기록합니다.

바닥 전체를 조명하고 초기에는 보상을 제공하지 마십시오. 쥐가 타겟 원으로 접근할 때까지 해당 원의 조명을 유지하십시오. 학습이 진행됨에 따라 타겟 원의 조명이 유지되는 시간을 점진적으로 줄이십시오.

쥐의 정답률이 80%에 도달하면, 타겟 원의 조명 시간을 1초로 줄이고 다른 조건은 변경하지 않습니다. 1초 조명 조건에서 쥐가 80%의 정답률을 달성하면, 큐(cue) 시간을 500 밀리초로 단축합니다. 초기 쉐이핑(shaping) 단계에서 쥐가 아레나의 동쪽과 서쪽 이미지 영역을 번갈아 선택하게 하려면 보통 100~150회의 시행이 필요합니다.

초기 쉐이핑(shaping) 단계에서 쥐들은 일반적으로 아레나 중앙의 준비 구역을 가로질러 달리며, 대부분의 시간을 아레나의 외곽을 탐색하는 데 보냅니다. 중간 쉐이핑 단계의 경우, 쥐들이 요구되는 정지 준비 자세를 안정적으로 유지하기 위해서는 600~700회의 시행이 필요합니다. 이들의 이동 경로는 준비 구역에서 이미지 구역으로 이어지는 정형화된 루프 형태를 띱니다.

아레나의 외곽을 탐색하는 시간이 줄어들면서, 중간 단계의 셰이핑(shaping)이 끝날 무렵에는 쥐들이 준비 구역에서 안정적으로 정지된 준비 자세를 유지하게 됩니다. 그 후 쥐는 표적 시각 자극에 접근하기 전, 아레나의 반대편에서 다음 시행을 시작합니다.

후기 셰이핑 단계의 끝에서 단일 유닛 및 국소 전위 활동을 신경 데이터 수집 시스템으로 수집하였습니다. VBCD 과제를 수행하는 쥐의 후두 피질에서 세포들은 표적 제시 시작 시 발화율이 증가하였으며, 바닥 패턴 제시 시작 시 발화율이 감소하였습니다. VSA 과제를 수행하는 쥐의 후두두정피질에서는 원형 조명에 반응하여 세포들의 발화율이 증가하였습니다.

VSA 과제에서 쥐가 목표 원에 접근했을 때, 즉 원에 불이 들어오기 전 준비 자세를 취하고 있는 동안 후두정피질의 국소 전위 활동을 측정하였습니다. VSA 과제 수행 중에 약 8 Hz의 세타 범위에서 강한 파워가 나타났습니다. 이러한 쉐이핑 및 훈련 프로토콜을 따르면, 설치류 모델에서 인지 기능과 시각 처리를 탐구하기 위한 다양한 과제를 설계할 수 있습니다.

이 기술은 학습, 기억 및 주의력 분야의 연구자들에게 정교한 행동 패러다임을 제공하며, 설치류 모델에서 얻은 발견 결과의 인간에 대한 중개적 관련성을 높여줍니다.