Zautomatyzowane wizualne zadania poznawcze do rejestrowania aktywności neuronalnej za pomocą labiryntu projekcji podłogowej

Ogólnym celem niniejszego protokołu jest zaprezentowanie zoptymalizowanych procedur kształtowania i treningu w pełni zautomatyzowanych zadań poznawczych opartych na wzroku oraz jednoczesnego pozyskiwania danych neuronalnych u szczurów z wykorzystaniem labiryntu z projekcją podłogową. Cel ten osiąga się poprzez zintegrowanie systemów śledzenia wideo i akwizycji danych neuronalnych z systemem kontroli behawioralnej, który jest w stanie dostarczać bodźce istotne dla zadania oraz nagrodę wewnątrzczaszkową w zależności od zachowania zwierzęcia. Po tym, jak szczury nauczą się utrzymywać nieruchomą pozycję gotowości w centrum areny, pojawiają się obrazy docelowe, które wymagają odpowiedniej reakcji behawioralnej zgodnie z regułami zadania.

Dane neuronowe z przypisanymi znacznikami czasu dla analiz okołowydarzeniowych wykazują korelaty neuronalne dla pozycji gotowości, początku prezentacji obrazu docelowego oraz innych zdarzeń istotnych dla zadania. Charakterystycznym elementem tej techniki jest to, że wyścig z projekcją podłogową wykorzystuje dowody behawioralne i anatomiczne wskazujące, że szczury przetwarzają informacje wizualne w dolnym polu widzenia. Ponadto zadania zaprojektowane w tym aparacie wykorzystują naturalną tendencję szczurów do eksploracji środowiska.

Wreszcie, można zaprojektować całą multitude zadań poznawczych z prowadzeniem wizualnym w celu zbadania funkcji poznawczych w modelach gryzoni. Opracowaliśmy labirynt z projekcją podłogową, aby uzyskać lepszą trafność i relewancję translacyjną dla badań prowadzonych u ludzi oraz naczelnych. Technika ta znajduje szersze zastosowanie w zrozumieniu ludzkich zaburzeń pamięci i uwagi, ponieważ zaburzenia te obejmują przetwarzanie informacji wizualnych.

Labirynt z projekcją podłogową to otwarte pole bez ścian. Ekran do projekcji tylnej służy jako podłoga aparatury. Na podłodze można umieścić arenę labiryntu o dowolnym kształcie lub wyświetlić wirtualne granice wizualne.

Podłoga ekranu projekcyjnego tylnego składa się z trzech warstw. Tkanina Dual Vision jest rozciągnięta na grubej, prostokątnej płycie z pleksiglasu. Cienka warstwa pleksiglasu została umieszczona nad tkaniną w celu ochrony materiału ekranu w strukturze kanapkowej.

Materiał ekranu umieszczony pomiędzy grubą pleksiglasową podstawą a cienką warstwą pleksiglasu na górze zapewnia najskuteczniejszą projekcję obrazu; poniżej i z boku labiryntu znajduje się projektor krótkiego rzutu, który wyświetla obrazy na spodnią stronę podłogi labiryntu. Kamera zamontowana nad urządzeniem i podłączona do komputera z podstawowym modułem behawioralnym Cineplex zapewnia śledzenie wideo oraz analizę danych pozycyjnych w czasie rzeczywistym. Aby śledzić pozycję szczura, należy przymocować diody LED do uchwytu na głowie zwierzęcia lub śledzić OID konturu szczura. Przy zastosowaniu systemu śledzenia wideo, arena testowa do zadań behawioralnych umieszczona na pleksiglasie powinna być wykonana z matowego materiału.

Podczas korzystania z systemu akwizycji danych neuronalnych należy upewnić się, że labirynt z projekcją podłogową oraz system ICS są uziemione do przedwzmacniacza, aby zminimalizować szumy elektryczne. Najpierw należy poddać szczura habituacji w pomieszczeniu behawioralnym przez 10 minut przy włączonym sprzęcie, a następnego dnia zwrócić zwierzę do kolonii. Czynność tę należy powtórzyć.

W trzecim dniu podłącz przewody ICS oraz głowicy do szczura i poddaj zwierzę habituacji w arenie testowej przez 10 minut. W czwartym dniu, stosując nieformalny protokół warunkowania preferencji miejsca, wyznacz najniższą amplitudę ICS niezbędną do ustanowienia preferencji miejsca.

Powoli zwiększaj amplitudy pierwszego i drugiego impulsu, aż szczur zostanie uwarunkowany do miejsca, w którym następuje nagroda ICS. Typowe wartości amplitudy mieszczą się w zakresie od 20 do 80 µA. Od piątego dnia i dalej podawaj nagrodę ICS, aby wytrenować szczury w przechodzeniu do obszaru gotowości oraz wchodzeniu do wschodniego i zachodniego obszaru obrazu.

Kontynuuj trening, dopóki szczur nie zacznie naprzemiennie wybierać obu obszarów z obrazami. Kluczowe jest przeszkolenie szczurów do utrzymywania nieruchomej pozycji wyczekiwania w wyznaczonym obszarze startowym. Pozycja wyczekiwania kontroluje kierunek, z którego szczur zbliża się do obrazów docelowych, oraz odległość, z której ogląda prezentowane obrazy.

W etapie pośrednim wprowadź biały szum o natężeniu 50 decybeli, aby zasygnalizować rozpoczęcie próby. Wyłącz biały szum w momencie, gdy szczur wejdzie na obszar gotowości. Zautomatyzuj podawanie nagrody w formie ICS dla szczura za wejście na obszar gotowości oraz za pomyślne przyjęcie pozycji gotowości.

Stopniowo zmniejszaj prawdopodobieństwo otrzymania nagrody za wejście w obszar gotowości oraz za prawidłowe przyjęcie pozycji gotowości do poziomu od 0 do 10%. Jednocześnie zwiększaj czas utrzymania pozycji gotowości w krokach co 100 milisekund, aby nauczyć szczura zatrzymania się i oczekiwania w tej pozycji. Na tym etapie treningu ważne jest, aby nie nagradzać szczurów w pozycji gotowości zbyt często, ponieważ nadmierny trening spowoduje opóźnienie przejścia do późniejszego kształtowania zachowań i wprowadzania reguł specyficznych dla zadania.

Jeśli szczur przedwcześnie przerwie pozycję gotowości, należy włączyć biały szum. Szczur musi wówczas rozpocząć próbę od przeciwległej strony areny. Przejdź do etapu późniejszego kształtowania zachowania, gdy szczur będzie w stanie niezawodnie utrzymać pozycję gotowości przez maksymalnie 1200 milisekund w każdej próbie.

Nowy czas trwania pozycji gotowości określa, jak długo szczur musi pozostać w bezruchu przed pojawieniem się obrazów docelowych. Trening w późnej fazie kształtowania jest specyficzny dla danego zadania i jest zautomatyzowany we wszystkich parametrach zadania. Wykorzystując możliwość ręcznego podawania nagród ICS podczas początkowego treningu w zadaniu dyskryminacji warunkowej wizualnej, należy przeszkolić szczury w zakresie prostej dyskryminacji kształtu i luminancji.

Rozpocznij próbę, włączając biały szum. Zmieniaj wymagany czas pozostawania szczura w pozycji gotowości pomiędzy próbami. Jeśli szczur nie utrzymuje stabilnie stacjonarnej pozycji gotowości, podaj nagrodę w postaci ICS.

Ręcznie zaprezentuj parę obrazów w obszarze prezentacji, wyświetlając w sposób pseudolosowy poprawny obraz po lewej lub prawej stronie obszaru. Podaj nagrodę w postaci ICS, gdy szczur zbliży się do poprawnego obrazu w pierwszym dniu treningu.

W przypadku błędnej odpowiedzi należy wyemitować jedynie 75 decybelowy sygnał szumu białego w celu zniechęcenia do takiego zachowania. Po próbie błędnej następuje próba korekcyjna. Próby korekcyjne są przeprowadzane po przeciwnej stronie areny.

Należy zastosować tę samą stronę (lewą lub prawą) oraz opóźnienie pozycji gotowości, które obowiązywały w poprzedniej błędnej próbie. Gdy szczur pomyślnie wykona dyskryminację prostej luminancji, należy wprowadzić zadanie bicon Conditional discrimination. W przypadku prób błędnych nie należy emitować serii szumów.

W zadaniu dyskryminacji warunkowej (bi-conditional discrimination task) prawidłowy obraz jest określony przez wzór podłogi. Na przykład, czarna gwiazda jest poprawną odpowiedzią, gdy podłoga jest prążkowana i widoczne jest białe koło. Gdy podłoga jest szara, próby naprzemiennie występują po stronie wschodniej i zachodniej, przy prezentacji prawidłowego obrazu.

Wprowadź próby korygujące po próbach błędnych, rozmieszczając je pseudolosowo po lewej lub prawej stronie obszaru obrazu. W zadaniu dotyczącym wizualnej uwagi przestrzennej wyświetlaj szare koła w określonych lokalizacjach przestrzennych. Rozpocznij próbę od białego szumu i wyłącz go w momencie, gdy szczur wejdzie w obszar gotowości.

Po utrzymaniu przez szczura pozycji gotowości przez wymagany czas, podświetl krąg docelowy, zmieniając jego kolor na biały. Prawidłowe lokalizacje są przydzielane pseudolosowo. Po pomyślnym przyjęciu przez szczura pozycji gotowości, podświetl krąg docelowy i podaj nagrodę w postaci ICS.

Gdy szczur zbliży się do prawidłowego koła w ciągu pięciu sekund, zostaje przyznana nagroda; jeśli szczur zbliży się do innego koła, nagroda nie jest przyznawana. Szczur rozpoczyna nową próbę po przeciwnej stronie areny. Jeśli szczur nie zbliży się do żadnego koła w ciągu pięciu sekund, próbę tę ocenia się jako pominięcie.

Oświetl całą podłogę i początkowo nie podawaj nagrody. Utrzymuj podświetlenie okręgu docelowego do momentu, aż szczur się do niego zbliży. W miarę postępów w nauce stopniowo zmniejszaj czas, przez który okrąg docelowy pozostaje oświetlony.

Gdy szczur osiągnie 80% dokładności, należy skrócić czas podświetlenia kręgu docelowego do jednej sekundy, nie wprowadzając żadnych innych zmian. Po osiągnięciu przez szczura 80% poprawnych reakcji w warunkach jednosekundowego podświetlenia, należy skrócić czas sygnału do 500 milisekund. Wstępne kształtowanie zachowania zazwyczaj wymaga od 100 do 150 prób, aby szczury zaczęły naprzemiennie wybierać wschodni i zachodni obszar obrazu w arenie.

W początkowej fazie kształtowania szczury zazwyczaj przebiegają przez obszar gotowości w centrum areny i spędzają większość czasu badając jej obrzeża. W przypadku kształtowania pośredniego szczury wymagają od 600 do 700 prób, aby stabilnie utrzymywać wymaganą stacjonarną pozycję gotowości. Ich trasy przyjmują formę stereotypowych pętli prowadzących z obszaru gotowości do obszaru obrazu.

Przy mniejszej ilości czasu spędzonego na eksploracji obwodu areny. Pod koniec etapu kształtowania pośredniego szczury stabilnie utrzymują stacjonarną pozycję gotowości w obszarze startowym. Przed zbliżeniem się do docelowego bodźca wizualnego szczur inicjuje następnie kolejną próbę po przeciwnej stronie areny.

Pod koniec późniejszego kształtowania aktywność pojedynczych jednostek oraz lokalnych potencjałów polowych została zarejestrowana przez system akwizycji danych neuronalnych. W korze poczworowej szczurów wykonujących zadanie VBCD komórki zwiększyły częstotliwość wyładowań w momencie prezentacji celu i zmniejszyły ją w momencie prezentacji wzoru podłogi. W tylnej korze ciemieniowej szczurów wykonujących zadanie VSA komórki zwiększyły częstotliwość wyładowań w odpowiedzi na podświetlenie okręgu.

Kiedy szczur zbliżał się do okręgu docelowego w zadaniu VSA, podczas gdy zwierzęta znajdowały się w pozycji gotowości przed podświetleniem okręgu, aktywność potencjału polowego w tylnej części kory ciemieniowej podczas wykonywania zadania VSA wykazała silną moc w zakresie theta przy około 8 Hz. Postępując zgodnie z tymi protokołami kształtowania i treningu, można opracować wiele zadań służących badaniu funkcji poznawczych i przetwarzania wzrokowego w modelach gryzoni.

Technika ta zapewnia zaawansowany paradygmat behawioralny dla badaczy z zakresu uczenia się, pamięci i uwagi, co pozwala na lepszą translacyjną relewantność wyników uzyskanych w modelach gryzoni w odniesieniu do ludzi.