Przedstawiono szczegółowy protokół do analizy selektywności obiektów neuronów ciemieniowo-czołowych zaangażowanych w transformacje wzrokowo-motoryczne.
Method Article
Przedstawiono szczegółowy protokół do analizy selektywności obiektów neuronów ciemieniowo-czołowych zaangażowanych w transformacje wzrokowo-motoryczne.
Poprzednie badania wykazały, że neurony w obszarach ciemieniowo-czołowych mózgu makaka mogą być wysoce selektywne dla obiektów świata rzeczywistego, zakrzywionych powierzchni zdefiniowanych przez rozbieżności i obrazów obiektów świata rzeczywistego (z rozbieżnościami i bez nich) w podobny sposób, jak opisano w brzusznym strumieniu wzrokowym. Ponadto uważa się, że obszary ciemieniowo-czołowe przekształcają informacje o obiekcie wizualnym w odpowiednie wyjścia motoryczne, takie jak wstępne kształtowanie dłoni podczas chwytania. Aby lepiej scharakteryzować selektywność obiektów w sieci korowej zaangażowanej w transformacje wzrokowo-ruchowe, udostępniamy zestaw testów mających na celu analizę selektywności obiektów wzrokowych neuronów w obszarach ciemieniowo-czołowych.
Ludzkie i nie-ludzkie naczelne dzielą zdolność do wykonywania złożonych działań motorycznych, w tym chwytania obiektów. Aby skutecznie wykonać te zadania, nasz mózg musi zakończyć transformację wewnętrznych właściwości obiektu w polecenia motoryczne. Ta transformacja opiera się na wyrafinowanej sieci grzbietowych obszarów korowych zlokalizowanych w ciemieniowej i brzusznej korze przedruchowej1,2,3 (Rysunek 1).
Z badań zmian u małp i ludzi4,5, wiemy, że grzbietowy strumień wzrokowy - pochodzący z pierwszorzędowej kory wzrokowej i skierowany w stronę tylnej kory ciemieniowej - jest zaangażowany zarówno w widzenie przestrzenne, jak i planowanie działań motorycznych. Jednak większość obszarów strumienia grzbietowego nie jest poświęcona unikalnemu rodzajowi przetwarzania. Na przykład przedni obszar śródciemieniowy (AIP), jeden z obszarów końcowych w grzbietowym strumieniu wzrokowym, zawiera różne neurony, które uruchamiają się nie tylko podczas chwytania6,7,8, ale także podczas oględzin obiektu7,8,9,10.
Podobnie jak w AIP, neurony w obszarze F5, zlokalizowanym w brzusznej korze przedruchowej (PMv), również reagują podczas fiksacji wzrokowej i chwytania obiektów, co prawdopodobnie będzie ważne dla transformacji informacji wizualnej w działania motoryczne11. Przednia część tego regionu (podsektor F5a) zawiera neurony reagujące selektywnie na trójwymiarowe (3D, zdefiniowane rozbieżności) obrazy12,13, podczas gdy podsektor znajdujący się w wypukłości (F5c) zawiera neurony charakteryzujące się właściwościami lustrzanymi1,3, wystrzeliwując obu, gdy zwierzę wykonuje lub obserwuje czynność. Wreszcie, tylny obszar F5 (F5p) jest polem związanym z dłonią, z wysokim odsetkiem neuronów wzrokowo-ruchowych reagujących zarówno na obserwację, jak i chwytanie obiektów 3D14,15. Obok F5, obszar 45B, znajdujący się w dolnym ramusie bruzdy łukowatej, może być również zaangażowany zarówno w przetwarzanie kształtu16,17, jak i grasping18.
Testowanie selektywności obiektów w korze ciemieniowej i czołowej jest wyzwaniem, ponieważ trudno jest określić, na które cechy reagują te neurony i jakie są pola recepcyjne tych neuronów. Na przykład, jeśli neuron reaguje na płytkę, ale nie na stożek, która cecha tych obiektów napędza tę selektywność: kontur 2D, struktura 3D, orientacja w głębi czy kombinacja wielu różnych cech? Aby określić krytyczne cechy obiektu dla neuronów, które reagują podczas fiksacji i chwytania obiektu, konieczne jest zastosowanie różnych testów wizualnych z wykorzystaniem obrazów obiektów i zredukowanych wersji tych samych obrazów.
Znaczna część neuronów w AIP i F5 nie tylko reaguje na wizualną prezentację obiektu, ale także wtedy, gdy zwierzę chwyta ten obiekt w ciemności (tj. przy braku informacji wizualnej). Takie neurony mogą nie reagować na obraz obiektu, którego nie można uchwycić. W związku z tym wizualne i motoryczne komponenty odpowiedzi są ściśle połączone, co utrudnia badanie reprezentacji obiektów neuronalnych w tych regionach. Ponieważ neurony wzrokowo-ruchowe mogą być testowane tylko z obiektami w świecie rzeczywistym, potrzebujemy elastycznego systemu do prezentowania różnych obiektów w różnych pozycjach w polu widzenia i w różnych orientacjach, jeśli chcemy określić, które cechy są ważne dla tych neuronów. To ostatnie można osiągnąć tylko za pomocą robota zdolnego do prezentowania różnych obiektów w różnych miejscach w przestrzeni wizualnej.
Ten artykuł ma na celu dostarczenie eksperymentalnego przewodnika dla badaczy zainteresowanych badaniem neuronów ciemieniowo-czołowych. W kolejnych sekcjach przedstawimy ogólny protokół stosowany w naszym laboratorium do analizy reakcji na chwytanie i obiekty wzrokowe u obudzonych makaków (Macaca mulatta).
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Wszystkie procedury techniczne zostały przeprowadzone zgodnie z Przewodnikiem Narodowego Instytutu Zdrowia dotyczącym opieki i użytkowania zwierząt laboratoryjnych oraz Dyrektywą UE 2010/63/UE i zostały zatwierdzone przez Komitet Etyczny KU Leuven.
1. Ogólne metody nagrań zewnątrzkomórkowych u przebudzonych małp zachowujących się
2. Badanie selektywności obiektów w obszarach grzbietowych
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Rysunek 5 przedstawia odpowiedzi przykładowego neuronu zarejestrowanego z obszaru F5p testowanego z czterema obiektami: dwoma różnymi kształtami - kulą i płytką - pokazanymi w dwóch różnych rozmiarach (6 i 3 cm). Ten konkretny neuron reagował nie tylko na dużą kulę (bodziec optymalny; lewy górny panel), ale także na dużą płytkę (lewy dolny panel). Dla porównania, reakcja na mniejsze obiekty była słabsza (prawy górny i dolny panel).
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Kompleksowe podejście do badania strumienia grzbietowego wymaga starannego doboru zadań behawioralnych i testów wizualnych: paradygmaty wizualne i chwytne mogą być stosowane zarówno łącznie, jak i oddzielnie, w zależności od specyficznych właściwości regionu.
W tym artykule podajemy przykłady aktywności neuronalnej rejestrowanej zarówno w AIP, jak i F5p w odpowiedzi na podzbiór zadań wzrokowych i motorycznych, ale bardzo podobne reakcje można zaobserwować w innych obszarach czołowych, takich j...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Dziękujemy Inez Puttemans, Marc De Paep, Sara De Pril, Wouter Depuydt, Astrid Hermans, Piet Kayenbergh, Gerrit Meulemans, Christophe Ulens i Stijn Verstraeten za pomoc techniczną i administracyjną.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Robot chwytający | GIBAS Universal Robots | UR-6-85-5-A | Ramię robota wyposażone w chwytak |
| Silnik karuzelowy | Siboni | RD066/† 20 MV6, 35x23 F02 | Silnik do zaimplementowania w pionowej karuzeli na zamówienie. Umożliwia obracanie karuzeli. |
| Eye tracker | SR Research | EyeLink II | System kamer na podczerwień próbkowanie z filtrem 500 Hz |
| Filtry | Wavetek Rockland | 852 | wykonują różne funkcje przetwarzania sygnału w celu usunięcia niepożądanych składowych częstotliwości sygnału. |
| Przedwzmacniacz | BAK ELECTRONICS, INC. | A-1 | Model A-1 pozwala na zmniejszenie pojemności wejściowej i odbioru szumów oraz umożliwia badanie impedancji mikroelektrod metalowych |
| Elektrody | FHC | UEWLEESE*N4G | Mikroelektrody metalowe (* = Impedancja, do wyboru przez badacza) |
| Monitor CRT | Vision Research Graphics | M21L-67S01 | Monitor CRT wyposażony jest w szybko-rozpadający się luminofor P46 pracujący z częstotliwością 120 Hz |
| Ferroelektryczne migawki ciekłokrystaliczne | Display Tech | Panel migawki FLC; LV2500P-OEM | Migawki działają z częstotliwością 60 Hz przed małpami i są zsynchronizowane z pionowym cofnięciem monitora |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission