Geautomatiseerde Visual cognitieve taken voor opname neurale activiteit met behulp van een Vloerprojectie Maze

Het algemene doel van dit protocol is om geoptimaliseerde shaping- en trainingsprocedures te demonstreren voor volledig geautomatiseerde visuele cognitieve taken en gelijktijdige neurale data-acquisitie bij ratten met behulp van een vloerprojectielabyrint. Dit wordt bereikt door videotrackingsystemen en neurale data-acquisitiesystemen te integreren met een gedragscontrolesysteem dat in staat is om taakrelevante stimuli en intracraniële beloningen toe te dienen op basis van het gedrag van het dier. Nadat de ratten hebben geleerd om een stationaire startpositie in het centrum van de arena aan te nemen, verschijnen er doelafbeeldingen die een relevante gedragsrespons vereisen volgens de taakregels.

Met tijdstempels voorzien neurale data voor peri-event analyses tonen neurale correlaten van de klaarpositie, het begin van de presentatie van de doelafbeelding en andere taakrelevante gebeurtenissen. Wat opvallend is aan deze techniek, is dat de race via vloerprojectie gebruikmaakt van gedragsmatige en anatomische bewijzen dat ratten visuele informatie in hun onderste visuele hemiveld verwerken. Daarnaast maken taken die in dit apparaat zijn ontworpen gebruik van de natuurlijke neiging van ratten om de omgeving te verkennen.

Ten slotte kan een hele reeks visueel gestuurde cognitieve taken worden ontworpen om de cognitieve functie in knaagdiermodellen te onderzoeken. We hebben het vloerprojectielabyrint ontwikkeld voor een betere validiteit en translationele relevantie voor studies uitgevoerd bij mensen en niet-menselijke primaten. Deze techniek is beter toepasbaar voor het begrijpen van menselijke geheugen- en aandachtstoornissen, aangezien deze stoornissen betrekking hebben op de verwerking van visuele informatie.

Het vloerprojectielabyrint is een open veld zonder wanden. Een projectiescherm aan de achterzijde dient als de vloer van de apparatus. Elke gewenste vorm van een labyrintarena kan op de vloer worden geplaatst, of er kunnen virtuele visuele grenzen worden geprojecteerd.

De vloer van het achterprojectiescherm is opgebouwd uit drie lagen. Dual vision-stof is gespannen over een dik, rechthoekig stuk plexiglas. Een dunne laag plexiglas is over de stof geplaatst om het schermmateriaal te beschermen door middel van een sandwichconstructie.

Het schermmateriaal tussen het dikke plexiglas aan de onderzijde en het dunne plexiglas aan de bovenzijde zorgt voor de meest effectieve beeldprojectie; onder en aan de zijkant van het doolhof bevindt zich een short-throw projector, die beelden op de onderzijde van de vloer van het doolhof projecteert. Een overheadcamera die is verbonden met een computer met de Cineplex-module voor basisgedrag zorgt voor videotracking en online analyse van positionele gegevens. Om de positie van de rat te volgen, kunnen LED's aan de headstage van de rat worden bevestigd of kan de OID van de contour van de rat worden gevolgd. Bij gebruik van het videotracking-systeem moet de testarena voor gedragstaken, die op het plexiglas wordt geplaatst, worden vervaardigd uit mat materiaal.

Zorg er bij het gebruik van het systeem voor neurale data-acquisitie voor dat het vloerprojectie-doolhof en het ICS-systeem zijn geaard aan de voorversterker om elektrische ruis te minimaliseren. Laat de rat eerst 10 minuten wennen aan de gedragsruimte terwijl de apparatuur is ingeschakeld, en breng de rat de volgende dag terug naar de kolonie. Herhaal dit.

Stap op de derde dag: verbind de ICS- en head stage-tethers met de rat en laat de rat 10 minuten wennen aan de testarena. Bepaal op de vierde dag de laagste ICS-amplitude om een plaatsvoorkeur vast te stellen, gebruikmakend van een informeel protocol voor conditionering van plaatsvoorkeur.

Verhoog langzaam de amplitudes van puls één en puls twee totdat de rat geconditioneerd is aan de plek waar de ICS-beloning plaatsvindt. Typische amplitudewaarden liggen tussen 20 en 80 micro ampers. Vanaf dag vijf wordt een ICS-beloning toegediend om de ratten te trainen naar het klaargebied en naar de toegang tot de oostelijke en westelijke beeldgebieden.

Zet de training voort totdat de rat afwisselt tussen de twee afbeeldingsgebieden. Het is cruciaal om ratten te trainen om een stationaire startpositie in het startgebied aan te nemen. De startpositie bepaalt vanuit welke richting de rat de doelafbeeldingen nadert en vanaf welke afstand de rat de gepresenteerde afbeeldingen bekijkt.

Voer voor de tussenfase 50 decibel witte ruis in om het begin van een trial te signaleren. Schakel de witte ruis uit zodra de rat het klaargebied betreedt. Automatiseer de toediening van een ICS-beloning aan de rat voor het betreden van het klaargebied en voor het succesvol innemen van de klaapposities.

Verlaag geleidelijk de beloningskansen voor het betreden van het gereedheidsgebied en het succesvol innemen van de gereedheidsposities naar een waarde tussen 0% en 10%. Verleng tegelijkertijd de latenties voor de gereedheidspositie in stappen van 100 milliseconden om de rat te trainen om te stoppen en in de gereedheidspositie te wachten. In deze fase van de training is het belangrijk om ratten in de gereedheidspositie niet te veel te belonen, omdat overtraining zal leiden tot een vertraagde overgang naar de late shaping en taakspecifieke regels.

Als de rat de startpositie voortijdig verlaat, wordt het witte ruisgeluid ingeschakeld. De rat moet de trial opnieuw starten aan de tegenovergestelde zijde van de arena. Ga over naar de late shaping-fase wanneer de rat per trial betrouwbaar de startpositie kan handhaven gedurende maximaal 1200 milliseconden.

Een nieuwe duur van de gereedheidspositie bepaalt hoe lang de rat stil moet blijven staan voordat de doelafbeeldingen verschijnen. Training tijdens de late vorming is specifiek voor de taak en is geautomatiseerd in alle taakparameters. Met de flexibiliteit om handmatig ICS-beloningen toe te kennen voor de initiële training in de visuele conditionele discriminatietaak, kunnen ratten worden getraind op een eenvoudige discriminatie van vorm en luminantie.

Begin de trial door het witte ruisgeluid in te schakelen. Varieer per trial de vereiste duur dat de rat in de startpositie moet blijven. Als een rat niet consistent een stationaire startpositie handhaaft, dien dan een ICS-beloning toe.

Presenteer handmatig een paar afbeeldingen in het presentatiegebied; toon de juiste afbeelding pseudo-willekeurig aan de linker- of rechterzijde van het gebied. Dien een ICS-beloning toe wanneer de rat op de eerste trainingsdag de juiste afbeelding nadert.

Gebruik enkel een burst witte ruis van 75 decibel als afschrikking bij een onjuist antwoord. Volg op een onjuiste trial een correctietrial. Correctietrials worden uitgevoerd aan de tegenoverliggende zijde van de arena.

Gebruik dezelfde correcte linker- of rechterzijde en dezelfde latentie van de startpositie als bij de voorafgaande incorrecte trial. Zodra de rat de eenvoudige luminantie-discriminatie succesvol heeft uitgevoerd, wordt de bicon-conditionele discriminatietaak geïntroduceerd. Geef geen geluidsstoten bij incorrecte trials.

Voor de bi-conditionele discriminatietaak wordt de juiste afbeelding bepaald door het patroon van de vloer. Bijvoorbeeld, de zwarte ster is correct wanneer de vloer gestreept is en de witte cirkel is correct. Wanneer de vloer grijs is, wisselen de trials af tussen de oost- en westzijde waarbij de juiste afbeelding wordt gepresenteerd.

Implementeer pseudo-willekeurig aan de linker- of rechterzijde van het beeldveld correctietrials na onjuiste trials. Presenteer voor de taak voor visueel-ruimtelijke aandacht grijze cirkels op gedefinieerde ruimtelijke locaties. Begin de trial met witte ruis en schakel deze uit wanneer de rat het startgebied betreedt.

Nadat de rat de startpositie gedurende de vereiste tijd heeft aangehouden, wordt de doelcirkel verlicht door deze wit te maken. Correcte locaties worden pseudo-willekeurig toegewezen. Nadat de rat de startpositie succesvol heeft voltooid, wordt een doelcirkel verlicht en volgt een ICS-beloning.

Wanneer de rat binnen vijf seconden de juiste cirkel nadert, wordt er een beloning gegeven; als de rat een andere cirkel nadert, wordt er geen beloning afgegeven. De rat begint een nieuwe trial aan de tegenovergestelde zijde van de arena. Als de rat er niet in slaagt om binnen vijf seconden enige cirkel te naderen, wordt dit gescoord als een omissietrial.

Verlicht de gehele vloer en geef in eerste instantie geen beloning. Houd de doelcirkel verlicht totdat de rat deze nadert. Naarmate het leerproces vordert, wordt de tijd dat de doelcirkel verlicht blijft geleidelijk verkort.

Zodra de rat een nauwkeurigheid van 80% bereikt, wordt de verlichtingstijd van de doelcirkel verkort tot één seconde, zonder andere wijzigingen aan te brengen. Wanneer de rat een score van 80% correct behaalt bij de verlichtingsconditie van één seconde, wordt de cue-tijd verminderd tot 500 milliseconden. Voor de vroege shaping zijn doorgaans 100 tot 150 trials nodig voordat de ratten afwisselen tussen de oostelijke en westelijke beeldgebieden van de arena.

Tijdens de vroege vorming rennen de ratten doorgaans door het startgebied in het centrum van de arena en besteden ze het grootste deel van hun tijd aan het verkennen van de omtrek van de arena. Voor de tussenliggende vorming hebben de ratten 600 tot 700 trials nodig om de vereiste stationaire startpositie betrouwbaar vast te houden. Hun paden bestaan uit stereotiepe lussen van het startgebied naar het beeldgebied.

Met minder tijd besteed aan het verkennen van de rand van de arena. Aan het einde van de tussenliggende shaping-fase behouden ratten betrouwbaar een stationaire startpositie in het startgebied. Voordat ze de visuele doelstimulus naderen, start de rat vervolgens de volgende trial aan de tegenovergestelde zijde van de arena.

Aan het einde van de late vormgevingsfase werden de single-unit- en lokale veldpotentiaalactiviteit verzameld door het neurale datavisualisatiesysteem. In de posterieure cortex van ratten die de VBCD-taak uitvoerden, verhoogden de cellen hun vuursnelheid bij het begin van de presentatie van het doelwit en verlaagden deze bij het begin van de presentatie van het vloerpatroon. In de posterieure pariëtale cortex van ratten die de VSA-taak uitvoerden, verhoogden de cellen hun vuursnelheid als reactie op de verlichting van de cirkel.

En wanneer de rat de doelcirkel in de VSA-taak naderde, terwijl de ratten zich in de startpositie bevonden vóór de verlichting van de cirkel, vertoonde de lokale veldpotentiaalactiviteit in de posterieure pariëtale cortex tijdens de uitvoering van de VSA-taak een sterk vermogen in het theta-bereik bij ongeveer 8 Hz. Door deze shaping- en trainingsprotocollen te volgen, kan men een veelvoud aan taken ontwerpen om de cognitieve functie en visuele verwerking in knaagdiermodellen te onderzoeken.

Deze techniek biedt een geavanceerd gedragsparadigma voor onderzoekers op het gebied van leren, geheugen en aandacht, dat zorgt voor een betere translationele relevantie van bevindingen in knaagdiermodellen voor mensen.