Name: Zautomatyzowane wizualne zadania poznawcze do rejestrowania aktywności neuronalnej za pomocą labiryntu projekcji podłogowej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-02-20T22:45:00.000+00:00
Duration: 11 min 15 s
Description: Poznaj zautomatyzowane zadania poznawcze z wizualizacją w labiryncie projekcji podłogowej do rejestrowania aktywności neuronalnej u szczurów. Ta metoda umożliwia badanie korelatów neuronalnych uczenia się i uwagi.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca była wspierana przez NSF IOS 1146334, NSF EFRI 0937848, DARPA N66001-10-C-2010 oraz NSF IOS 0522220 do RDB. Dziękujemy Stacie Hyatt z firmy Plexon Inc za pomoc w przygotowaniu tego manuskryptu.

Wszystkie procedury były zgodne z wytycznymi Komitetu ds. Opieki nad Zwierzętami i Użytkowania Zwierząt Uniwersytetu Brown.
1. Przegląd systemów
System śledzenia wideo współdziała z systemem kontroli behawioralnej, aby monitorować postępy szczura w danym zadaniu, oceniać zachowania docelowe, kontrolować prezentację bodźców i dostarczać nagrody w oparciu o postępy szczura. System rejestracji elektrofizjologicznej vivo gromadzi dane neuronowe do analiz związanych ze zdarzeniami. (Rysunek 1A).
<ol>
	<li>Labirynt projekcyjny
	<ol>
		<li>Floor Projection Maze2 to otwarte pole bez ścian (147,3 cm x 111,8 cm) z przezroczystą bezbarwną podłogą z pleksiglasu (0,6 cm grubości). Spód podłogi to ekran z tkaniny Dual Vision o wzmocnieniu jedności, który jest naciągnięty na drugi prostokąt z kawałków pleksiglasu (147,3 cm x 111,8 cm x 1,25 cm) do projekcji tylnej za pomocą projektora krótkiego rzutu.</li>
		<li>Podłącz projektor do karty graficznej w komputerze z systemem behawioralnym. Trzymaj pleksi, tkaninę ekranową i projektor za pomocą ramy z anodyzowanego aluminium.</li>
		<li>Zamontuj anodyzowaną ramę nad głową, aby zamontować górną kamerę i system kół pasowych, aby połączyć ICS i uwiązania sceny czołowej ze szczurem. 
		nuta: Podłącz ramę trzymającą labirynt projekcyjny i ramę górną, aby zapewnić ciągłość elektryczną i uziemienie do przedwzmacniacza.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Śledzenie wideo
	<ol>
		<li>Nagrywaj, śledź i analizuj filmy w czasie rzeczywistym za pomocą jednej kamery górnej opisanej w kroku 1.2.2.</li>
		<li>Zamontuj górną kamerę (standard VGA, 80 kl./s) na górnej ramie z anodyzowanego aluminium, aby monitorować szczura</li>
		<li>Użyj diod elektroluminescencyjnych (LED) przymocowanych do sceny głowy szczura, aby monitorować pozycję szczura, lub śledź środek ciężkości konturu szczura za pomocą automatycznego systemu śledzenia.</li>
		<li>Użyj modułu CinePlex Basic Behavior, aby przeanalizować dane o położeniu w trybie online, a także zapisać plik danych do dalszej analizy w trybie offline. 
		nuta: Używamy CinePlex Behavioral Research System 3.4.1 do rejestrowania, śledzenia i analizowania pozycji szczura. Moduł CinePlex Tracking służy do śledzenia szczura. Aby skutecznie śledzić postępy zwierzęcia, użyj modułu CinePlex Basic Behavior, aby utworzyć strefy w przestrzeni dwuwymiarowej w odpowiednich miejscach labiryntu, które mają znaczenie w zadaniu. Strefy mogą być łączone w sekwencje, a zdarzenia logiczne CinePlex (takie jak wejścia do stref i spełnienie sekwencji) są przypisywane w taki sposób, że jeśli szczur spełnia kryteria zdarzenia, zdarzenie staje się prawdziwe. Przypisz zdarzenia z wyjściami cyfrowymi i interfejsem za pośrednictwem karty wejściowej superport do systemu behawioralnego.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>W pełni zautomatyzowany system kontroli behawioralnej
	<ol>
		<li>Arena testów behawioralnych: Użyj odpowiednio ukształtowanej areny testowej do zadania behawioralnego w labiryncie projekcji podłogowej. Zbuduj arenę za pomocą matowego białego akrylu i umieść ją bezpośrednio w labiryncie projekcyjnym na podłodze. 
		Uwaga: Wymiary można dostosować do używanego zadania behawioralnego. Ściany mają zazwyczaj 45-50 cm wysokości. Tutaj używamy dwustronnych aren testowych (labirynt z muszką12), aby zmaksymalizować liczbę prób wykonywanych podczas sesji (rysunek 1B dla wymiarów labiryntu z muszką). Arena testowa ma cztery wyznaczone obszary zdefiniowane w oprogramowaniu śledzącym: Wschodni obszar obrazu, Zachodni obszar obrazu, Wschodni obszar gotowości próbnej i zachodni obszar gotowości próbnej (rysunek 1C).</li>
		<li>System behawioralny: System interfejsu behawioralnego kontrolowany przez oprogramowanie MED-PC IV uruchamia programy napisane wewnętrznie w notacji MEDstate (patrz Dodatek). Wykorzystaj zdarzenia z systemu behawioralnego CinePlex, aby śledzić postępy szczura podczas zadania, kontrolować prezentację obrazu, dostarczać sygnały dźwiękowe i dostarczać nagrodę.
		<ol>
			<li>Połącz kartę wyjściową superport z cyfrowym wejściem Omniplex, aby uzyskać oznaczone czasem zdarzenia behawioralne w środowisku oprogramowania PlexControl do analiz offline. Emituj sygnały dźwiękowe za pomocą programowalnego generatora dźwięku. 
			nuta: Zdarzenia behawioralne z prezentowanej tutaj aparatury mogą obsługiwać sprzęt innych firm (np. laser do stymulacji optogenetycznej) za pośrednictwem karty transmisji danych, jeśli jest to wymagane.</li>
			<li>Umieść kartę wyjściową superport, kartę wejściową superport i programowalny generator audio w stołowej szafie interfejsu. Połącz karty z kartą PCI DIG-704PCI-2 zainstalowaną w komputerze osobistym (PC) za pomocą karty dekodera DIG-700F zainstalowanej w szafie stołowej.</li>
			<li>Dostarcz szczurowi dwubiegunowy ICS fali prostokątnej za pomocą programowalnego stymulatora samostymulacji wewnątrzczaszkowej. Podłącz stymulator do komputera za pomocą karty COM PHM152. Zalecane parametry ICS: Czas trwania impulsu 1 i 2: 500 μs; Opóźnienie między impulsem 1 a 2: 500 μs; Częstotliwość: 100 Hz. 
			nuta: Dostarczanie ICS jest zautomatyzowane podczas zadania, ale może być dostarczone ręcznie za pomocą programowalnej skrzynki przycisków połączonej z modułem SmartCtrl.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>System akwizycji danych neuronowych
	<ol>
		<li>Upewnij się, że rama labiryntu projekcyjnego i system ICS są uziemione do przedwzmacniacza systemu akwizycji danych neuronowych Omniplex, aby zminimalizować szumy elektryczne w nagraniach neuronowych.</li>
		<li>Jednocześnie zbieraj dane neuronowe, współrzędne pozycyjne z CinePlex i flagi zdarzeń behawioralnych z systemu behawioralnego w pliku danych do analiz offline.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Przygotowanie zwierząt
<ol>
	<li>zwierzęta
	<ol>
		<li>Zdobądź naiwne 22-dniowe samce szczurów Long-Evans</li>.
		<li>Trzymaj szczury w parach i pozwól im zaaklimatyzować się w wiwarium przez tydzień.</li>
		<li>Ze szczurami należy obchodzić się codziennie przez ~5 min.</li>
		<li>Gdy szczury osiągną 250-275 g, rozpocznij harmonogram karmienia, utrzymując masę ciała na poziomie 85-90% masy wolnego karmienia. Wagę docelową zwiększa się o 10 g / miesiąc, aż szczury osiągną 350 g.</li>
		<li>Szczury należy trzymać w jednym pomieszczeniu i kontynuować harmonogram karmienia przez co najmniej tydzień przed rozpoczęciem operacji w celu wszczepienia stymulacji i zarejestrowania elektrod.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Implantacja chirurgiczna 
	Przeprowadzaj zabiegi chirurgiczne w standardowych warunkach aseptycznych oraz zgodnie z wytycznymi instytucjonalnymi i regulacyjnymi.
	<ol>
		<li>Znieczulić szczury izofluranem.</li>
		<li>Wykonaj nacięcie w skórze głowy, aby odsłonić czaszkę w celu oczyszczenia i identyfikacji bregmy i lambdy.</li>
		<li>Wykonaj kraniotomię na odpowiednich współrzędnych.</li>
		<li>Przymocuj kotwiące czaszkę.</li>
		<li>Opuść końcówkę elektrody ICS do MFB, podając następujące współrzędne: przednio-tylna, -2,7 mm od bregma; boczna, ±1,8 mm; grzbietowo-brzuszna, -8,5 mm od powierzchni czaszki. Druga elektroda ICS może zostać wszczepiona w przeciwległą półkulę jako kopia zapasowa w przypadku awarii elektrody.</li>
		<li>Przymocuj elektrody ICS do czaszki i przykręć kotwiące cementem kostnym. Nie należy cementować cokołu (plastikowej obudowy elektrody stymulującej) elektrod.</li>
		<li>Opuść elektrody rejestrujące w interesujące Cię miejsce i zabezpiecz urządzenie cementem kostnym.</li>
		<li>Ustawić cokół ICS z dala od urządzenia rejestrującego i przymocować elektrody ICS i urządzenia rejestrujące do kotwiących za pomocą cementu kostnego.</li>
		<li>Odczekaj co najmniej siedem dni na regenerację przed rozpoczęciem przyzwyczajania się do protokołu kształtowania.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Kształtowanie behawioralne: Ogólne kształtowanie składa się z trzech etapów: wczesnego, pośredniego i późnego kształtowania (Rysunek 2).
Uwaga: Celem kształtowania na wczesnym i średnim poziomie jest wyszkolenie szczura do utrzymywania stałej 'pozycji gotowości' w Strefie Gotowości dla każdej próby i przeprowadzenia wielu prób podczas sesji. Częściowo automatyzuj kształtowanie behawioralne, dzięki czemu trening można dostosować do indywidualnych wskaźników uczenia się szczura. Gdy szczur utrzymuje udaną "pozycję gotowości", przystąp do kształtowania specyficznego zadania (późne kształtowanie) w celu przeniesienia szczura do w pełni zautomatyzowanego protokołu w celu precyzyjnej i bezstronnej kontroli behawioralnej (ryc. 2).
<ol>
	<li>Wczesne kształtowanie (rysunek 2A)
	<ol>
		<li>Dzień 1: Przyzwyczaj szczura do pokoju behawioralnego na 10 minut z włączonym sprzętem, a następnie wróć do kolonii.</li>
		<li>Dzień 2: Powtórz krok 1, a następnie przyzwyczaj zwierzę do areny testowej przez 10 minut.</li>
		<li>Dzień 3: Podłącz ICS i uwięzi na scenie głównej do szczura i przyzwyczaj szczura do areny testowej przez 10 minut.</li>
		<li>Dzień 4: Określ najniższą amplitudę ICS, aby ustalić preferencję miejsca za pomocą nieformalnego protokołu warunkowania preferencji miejsca. Miareczkowanie impulsu o amplitudach 1 i 2. Typowe wartości amplitudy to 20-80 μA. </li>
		<li>Od dnia 5: Dostarcz nagrodę ICS, aby wyszkolić szczury, aby kojarzyły obszar gotowości oraz prezentacje obrazów ze wschodu i zachodu z nagrodą ICS. Kontynuuj, aż szczur będzie na przemian przechodził między wschodnimi i zachodnimi obszarami obrazu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Kształtowanie pośrednie (rysunek 2B).
	<ol>
		<li>Wprowadź biały szum (50 dB), aby zasygnalizować rozpoczęcie próby. Wyłącz biały szum, gdy szczur wejdzie do obszaru gotowości.</li>
		<li>Zautomatyzuj dostarczanie ICS w celu wejścia do strefy gotowości i udanego ukończenia "pozycji gotowości". Dostosuj prawdopodobieństwo dostarczenia ICS przy wejściu i pomyślnej "pozycji gotowości", aby wzmocnić zachowanie. 
		nuta: Dostosuj prawdopodobieństwo nagrody ręcznie, aby dopasować je do wydajności poszczególnych szczurów podczas kształtowania. Zmniejszono prawdopodobieństwo otrzymania nagrody za wejście do strefy gotowości i utrzymanie udanych pozycji gotowości. Zalecane końcowe prawdopodobieństwo nagrody za wypełnienie udanych pozycji wynosi 5-10%. Szczury są nagradzane za wszystkie poprawne wybory.</li>
		<li>Zacznij od krótkich czasów "pozycji gotowości" (np. 200 ms). Stopniowo zwiększaj czas trwania "pozycji gotowości" w krokach co 100 ms.</li>
		<li>Włącz biały szum, jeśli szczur przedwcześnie przekroczy "pozycję gotowości", więc szczur musi wznowić próbę.</li>
		<li>Przejście do późnego kształtowania, gdy szczur trzyma się w "pozycji gotowości" przez maksymalnie 1,200 ms.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Późne kształtowanie (rysunek 2C). 
	nuta: Trening w późnym kształtowaniu jest specyficzny dla zadania, w którym szczur będzie wykonywał. Zautomatyzuj szkolenie na tym etapie kształtowania, aby uzyskać precyzyjną i bezstronną kontrolę wszystkich parametrów zadania, ale zachowaj elastyczność w ręcznym dostarczaniu nagród ICS. Opisano protokoły treningowe dla dwóch zadań.
	<ol>
		<li>Zadanie wizualnej dyskryminacji dwuwarunkowej (vBCD): Użyj różnych bodźców wizualnych, aby wytrenować szczury w zakresie prostego kształtu i rozróżniania luminancji.
		<ol>
			<li>Rozpocznij próbę, włączając biały szum.</li>
			<li>Losowo narzucaj opóźnienia "pozycji gotowości" wynoszące 700 – 1,200 ms.</li>
			<li>W razie potrzeby należy ręcznie dostarczyć system ICS w celu wzmocnienia udanych "pozycji gotowości".</li>
			<li>Zaprezentuj parę obrazów w obszarze prezentacji obrazu. Pseudolosowo prezentuj poprawny obraz po lewej lub prawej stronie obszaru obrazu.</li>
			<li>Dostarcz ICS, aby uzyskać prawidłową reakcję i oczyść podłogę. Prawidłowa reakcja jest rejestrowana, gdy szczur wejdzie do strefy, w której znajduje się prawidłowy obraz. Tylko pierwszego dnia treningu emituj impuls białego szumu o natężeniu 75 dB, aby odstraszyć od nieprawidłowej odpowiedzi.</li>
			<li>Wydanie wersji próbnej korygującej po nieprawidłowej próbie. Próby korekcyjne mają identyczne parametry (opóźnienie lewej lub prawej strony i "pozycji gotowości") jak poprzednia nieprawidłowa próba.</li>
			<li>Gdy szczury będą w stanie z powodzeniem przeprowadzić prostą dyskryminację, wprowadź różne wzorce podłogi, aby wytrenować regułę dyskryminacji dwuwarunkowej.</li>
			<li>Przedstaw nową parę obrazów i dwa odrębne wzory podłóg, które posłużą jako kontekst. Poprawny obraz jest uzależniony od wzoru podłogi; np. gwiazda jest prawidłowa, gdy podłoga jest szara, a białe kółko jest prawidłowe, gdy podłoga jest w paski (rysunek 3C).</li>
			<li>Pseudolosowo przypisz wzór podłogi i pozycję (po lewej lub prawej) właściwego obrazu dla każdej próby, upewniając się, że próby są równoważone.</li>
			<li>Implementacja prób korekcyjnych po nieprawidłowym badaniu, w którym parametry badania są identyczne z poprzednim badaniem.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Zadanie uwagi wzrokowo-przestrzennej (VSA): Umieść podświetlone białe okręgi w określonych lokalizacjach przestrzennych na arenie, aby wyszkolić szczury, aby zbliżyły się do przestrzennego położenia okręgu docelowego. 
		nuta: W tym zadaniu arena ma szare okręgi w różnych lokalizacjach przestrzennych we wschodnim i zachodnim obszarze obrazu. Po udanym "ustawieniu w pozycji gotowości" okrąg celu zaświeci się (zmieni kolor na biały), a szczur musi zbliżyć się do tego miejsca docelowego (rysunek 3B).
		<ol>
			<li>Losowo narzucaj opóźnienia "pozycji gotowości" wynoszące 1,000-1,600 ms na zasadzie próba po próbie.</li>
			<li>W razie potrzeby należy ręcznie dostarczyć system ICS w celu wzmocnienia udanych "pozycji gotowości".</li>
			<li>Po zakończeniu "pozycji gotowości" losowo podświetl jedno z szarych kółek.</li>
			<li>Dostarcz ICS, gdy szczur wejdzie w strefę oświetlonego kręgu.</li>
			<li>Wyłącz oświetlenie i rozpocznij następną próbę po przeciwnej (wschodniej lub zachodniej) stronie.</li>
			<li>Na początku późnego kształtowania oświetlaj krąg, dopóki szczur się do niego nie zbliży lub do zakończenia próby (5 sekund po zapaleniu koła). Oceniaj każdą próbę jako poprawną lub pominiętą. W przypadku prób pominięcia oświetl całą podłogę (na niej pokazano białą podłogę), a żadna nagroda nie będzie dostępna do następnej próby.</li>
			<li>Gdy wydajność szczura osiągnie 80% poprawności, zmniejsz czas, przez jaki okrąg pozostaje oświetlony do 1 sekundy. Szczur ma 5 sekund na dokonanie wyboru.</li>
			<li>Nie nagradzaj za niepoprawne próby. Rozpocznij następną wersję próbną.</li>
			<li>Jeśli próba z pominięciem, oświetl podłogę i rozpocznij nową próbę.</li>
			<li>Przy 80% poprawności jeszcze bardziej zmniejsz czas podświetlenia okręgu celu do 500 ms.</li>
			<li>Lokalizacje docelowe wybieraj losowo przed każdą próbą. Szczur będzie miał 5 sekund na dokonanie wyboru, zanim cała podłoga zaświeci się, sygnalizując koniec tej próby.</li>
			<li>Nie nagradzaj za nieprawidłowe lub pominięte próby. Szczur musi zainicjować nową próbę po przeciwnej stronie areny.</li>
			<li>Uwaga: W każdym obszarze obrazu można dodać dodatkowe okręgi, aby jeszcze bardziej zwiększyć trudność zadania.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Furtak, S. C., Ahmed, O. J., Burwell, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single+neuron+activity+and+theta+modulation+in+postrhinal+cortex+during+visual+object+discrimination%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Single neuron activity and theta modulation in postrhinal cortex during visual object discrimination.</a> Neuron. 76, 976-988 (2012).</li>
<li>Furtak, S. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Floor+Projection+Maze%3A+A+novel+behavioral+apparatus+for+presenting+visual+stimuli+to+rats%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci.+Methods%22%5BJournal%5D)">The Floor Projection Maze: A novel behavioral apparatus for presenting visual stimuli to rats.</a> J. Neurosci. Methods. 181, 82-88 (2009).</li>
<li>Bussey, T. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+touchscreen+cognitive+testing+method+for+rodents%3A+how+to+get+the+best+out+of+your+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Learn.+Mem%22%5BJournal%5D)">The touchscreen cognitive testing method for rodents: how to get the best out of your rat.</a> Learn. Mem. 15, 516-523 (2008).</li>
<li>Bussey, T. J., Muir, J. L., Everitt, B. J., Robbins, T. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Triple+dissociation+of+anterior+cingulate%2C+posterior+cingulate%2C+and+medial+frontal+cortices+on+visual+discrimination+tasks+using+a+touchscreen+testing+procedure+for+the+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Behav.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Triple dissociation of anterior cingulate, posterior cingulate, and medial frontal cortices on visual discrimination tasks using a touchscreen testing procedure for the rat.</a> Behav. Neurosci. 111, 920-936 (1997).</li>
<li>Forwood, S. E., Bartko, S. J., Saksida, L. M., Bussey, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rats+spontaneously+discriminate+purely+visual%2C+two-dimensional+stimuli+in+tests+of+recognition+memory+and+perceptual+oddity%5BTitle%5D)+AND+%22Behav.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Rats spontaneously discriminate purely visual, two-dimensional stimuli in tests of recognition memory and perceptual oddity.</a> Behav. Neurosci. 121, 1032-1042 (2007).</li>
<li>Gaffan, E. A., Eacott, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+computer-controlled+maze+environment+for+testing+visual+memory+in+the+rat%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci.+Methods%22%5BJournal%5D)">A computer-controlled maze environment for testing visual memory in the rat.</a> J. Neurosci. Methods. 60, 23-37 (1995).</li>
<li>Keller, J., Strasburger, H., Cerutti, D. T., Sabel, B. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessing+spatial+vision+-+automated+measurement+of+the+contrast-sensitivity+function+in+the+hooded+rat%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci.+Methods%22%5BJournal%5D)">Assessing spatial vision - automated measurement of the contrast-sensitivity function in the hooded rat.</a> J. Neurosci. Methods. 97, 103-110 (2000).</li>
<li>Lashley, K. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+mechanism+of+vision+V+The+structure+and+image-forming+power+of+the+rat%27s+eye%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Comp.+Psychol%22%5BJournal%5D)">The mechanism of vision V The structure and image-forming power of the rat's eye.</a> J. Comp. Psychol. 13, 173-200 (1932).</li>
<li>Lashley, K. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Mechanism+of+Vision%3A+Xv.+Preliminary+Studies+of+the+Rat%27s+Capacity+for+Detail+Vision%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Gen.+Psychol%22%5BJournal%5D)">The Mechanism of Vision: Xv. Preliminary Studies of the Rat's Capacity for Detail Vision.</a> J. Gen. Psychol. 18, 123-193 (1938).</li>
<li>Minini, L., Jeffery, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Do+rats+use+shape+to+solve+%26%2334%3Bshape+discriminations%26%2334%5BTitle%5D)+AND+%22Learn.+Mem%22%5BJournal%5D)">Do rats use shape to solve &#34;shape discriminations&#34.</a> Learn. Mem. 13, 287-297 (2006).</li>
<li>Milner, P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain-Stimulation+Reward+-+a+Review%5BTitle%5D)+AND+%22Can.+J.+Psychol%22%5BJournal%5D)">Brain-Stimulation Reward - a Review.</a> Can. J. Psychol. 45, 1-36 (1991).</li>
<li>Albasser, M. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+behavioral+protocols+to+extend+our+knowledge+of+rodent+object+recognition+memory%5BTitle%5D)+AND+%22Learn.+Mem%22%5BJournal%5D)">New behavioral protocols to extend our knowledge of rodent object recognition memory.</a> Learn. Mem. 17, 407-419 (2010).</li>
<li>Bari, A., Dalley, J. W., Robbins, T. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+application+of+the+5-choice+serial+reaction+time+task+for+the+assessment+of+visual+attentional+processes+and+impulse+control+in+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Protoc%22%5BJournal%5D)">The application of the 5-choice serial reaction time task for the assessment of visual attentional processes and impulse control in rats.</a> Nat. Protoc. 3, 759-767 (2008).</li>
<li>Agster, K. L., Burwell, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structure+and+function+of+the+rodent+postrhinal+cortex%3A+comparisons+to+other+cortical+regions%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Structure and function of the rodent postrhinal cortex: comparisons to other cortical regions.</a> , Brown University. Rhode Island, USA. (2007).</li>
</ol>

Opłata za zgłoszenie tego artykułu wideo jest sponsorowana przez Plexon Inc.

Formalnie opisujemy protokoły szkolenia szczurów w zakresie w pełni zautomatyzowanych, złożonych wizualnych zadań poznawczych w labiryncie projekcji podłogowej. Labirynt projekcji podłogowej został z powodzeniem wykorzystany do ustalenia neuronalnych korelatów koniunkcji obiekt-lokalizacja i sygnałów błędów w korze zabrzeżnej podczaswykonywania zadania 1 z dyskryminacją wizualną 2 wyborów.
Protokół kształtowania behawioralnego został zaprojektowany tak, aby był elastyczny, dzięki czemu można go dostosować do indywidualnego tempa uczenia się szczura. Niestandardowy kod napisany dla systemu behawioralnego pozwala eksperymentatorowi kontrolować prawdopodobieństwo automatycznego dostarczania ICS na krytycznych etapach podczas treningu; np. trening w pozycji gotowości. Kod powinien również umożliwiać ręczne dostarczanie ICS za pomocą programowalnego przycisku podczas. Celem Early shaping jest ustanowienie skutecznej stymulacji ICS w celu dostarczania nagrody w celu wzmocnienia zachowania. Jeśli to możliwe, zalecamy obustronne wszczepienie elektrod stymulujących do MFB w przypadku nieskutecznej stymulacji w jednej półkuli. Z naszego doświadczenia wynika jednak, że prawie wszystkie wszczepione elektrody ICS były funkcjonalne, aby dostarczyć satysfakcjonujący bodziec. Pośredni etap kształtowania ma kluczowe znaczenie dla wyszkolenia szczura do utrzymania "pozycji gotowości" w obszarze gotowości. W "pozycji gotowości" szczur powinien być nieruchomy z nosem skierowanym w stronę obszarów obrazu, w których zostaną zaprezentowane wybrane obrazy. "Pozycja gotowości" kontroluje, kiedy pojawiają się obrazy, kierunek, z którego szczur zbliża się do obrazów oraz odległość, z której szczur ogląda obrazy. Zalecamy śledzenie diod LED zamontowanych na głowie szczura w celu monitorowania kierunku, w którym skierowana jest głowa szczura, w celu lepszej kontroli zachowania i bardziej precyzyjnej kontroli prezentacji obrazu docelowego. Ręczne dostarczanie ICS może być wydane w celu przeszkolenia szczurów w celu utrzymania odpowiedniej "pozycji gotowości". Kiedy szczur utrzymuje zadowalające "pozycje gotowości" w każdej próbie, trening w późnym kształtowaniu jest specyficzny dla danego zadania. W późnym kształtowaniu szczury są szkolone do uczenia się określonych zasad wykonywania danego zadania.
Używamy ICS jako naszej metody dostarczania nagrody, ponieważ ta metoda zapewnia natychmiastową informację zwrotną dla szczura, co skutkuje szybszym uczeniem się podczas kształtowania behawioralnego i większą liczbą ukończonych prób podczas sesji podczas zbierania danych neuronowych w zautomatyzowanym zadaniu. Dostarczanie ICS powoduje jednak artefakty elektryczne w nagraniach neuronowych i może być problematyczne w przypadku analizy ciągłych danych LFP lub danych wielojednostkowych. Interwał wokół artefaktu elektrycznego można usunąć w trybie offline z pliku danych rejestracji neuronowej przed ciągłą analizą danych. Stereotypowe artefakty z ICS w danych o spajkach filtrowanych górnoprzepustowo można łatwo usunąć w trybie offline bez wpływu na analizy pojedynczych spajków. Przyszła optymalizacja protokołów dla labiryntu projekcyjnego obejmuje wykorzystanie narzędzi optogenetycznych do dostarczania wewnętrznej nagrody w celu zminimalizowania i wyeliminowania artefaktów związanych ze stymulacją elektryczną.

Labirynt projekcyjny jest zoptymalizowany pod kątem możliwości wizualnych szczurów i dlatego lepiej nadaje się do wizualnie kierowanych zadań behawioralnych. Należy zauważyć, że nie można dokonywać bezpośrednich porównań między paradygmatami eksperymentalnymi w labiryncie projekcji podłogowej a komorami operacyjnymi ze względu na różne stosowane protokoły eksperymentalne i różne definicje kryterium pomyślnego wykonania danego zadania. Wcześniej wykazaliśmy jednak, że szczury nabyły proste zadanie dyskryminacji wizualnej 2 wyborów w ~ 50 próbach w Labiryncie Projekcji Podłogi2 w porównaniu z >300 próbami w innych badaniach, w których obrazy były prezentowane pionowo w komorach operantowych3,10. Zadanie VSA było wzorowane na klasycznym zadaniu reakcji szeregowej5 wyborów 13 (5-CSRT) przeznaczony do oceny procesów uwagi wzrokowej. Zazwyczaj 5-CSRT jest przeprowadzany w komorze operacyjnej i wymaga od zwierzęcia szturchnięcia nosa w odpowiednim otworze na nos wskazanym przez błysk światła; tutaj zadanie VSA jest realizowane na otwartej arenie, gdzie zwierzęta muszą pozostać nieruchome w określonym miejscu na arenie, skierować swoją uwagę na miejsca docelowe i czekać na pojawienie się bodźca świetlnego. Z naszego doświadczenia wynika, że szczury potrzebowały ~3,200 prób, aby osiągnąć kryterium (75% w dwóch kolejnych dniach) w 5-CSRT14 w porównaniu z ~800 próbami w zadaniu VSA w labiryncie projekcji podłogowej.

Kolejną zaletą zadań behawioralnych wykonywanych w labiryncie projekcyjnym jest to, że zadania są wykonywane na dużej otwartej arenie, która wykorzystuje naturalną tendencję szczura do eksploracji otoczenia, w przeciwieństwie do zadań, które wymagają od zwierzęcia skupienia wzroku na nieruchomym celu. Główną zaletą wykorzystania swobodnie poruszających się szczurów na otwartej arenie w aparacie do projekcji podłogowej jest to, że zarówno allocentryczne, jak i egocentryczne informacje przestrzenne mogą być zbierane za pomocą informacji wizualnych. Kolejną zaletą naszego paradygmatu jest to, że zadania nie muszą ograniczać się do prezentacji statycznych obrazów. Położenie i cechy bodźców wzrokowych, które są dynamiczne, mogą być wykorzystane w przyszłych zadaniach. Korzystając z możliwości śledzenia systemu badań behawioralnych CinePlex, można opracowywać zadania w celu bardziej szczegółowego zrozumienia funkcjonalnego danej struktury mózgu. Łącząc jednoczesne zapisy elektrofizjologiczne z wizualnie sterowanymi zadaniami poznawczymi, można zbadać podstawowe pytania o to, w jaki sposób aktywność mózgu jest powiązana z procesami poznawczymi, takimi jak podejmowanie decyzji i dyskryminacja wzrokowa.
Korzystając z zadań kierowanych wizualnie, wyniki badań na szczurach można lepiej przełożyć na ludzi, a ostatecznym celem jest zapewnienie terapii chorób poznawczych u ludzi.

Zadania wizualne są powszechnie używane w badaniach na ludziach i małpach do badania mechanizmów leżących u podstaw uczenia się i pamięci. Modele gryzoni są jednak łatwiej dostępne dla badaczy w przypadku badań na większą skalę, lepiej kontrolowanych, a ich dodatkową zaletą jest umożliwienie stosowania bardziej inwazyjnych technik elektrofizjologicznych. W połączeniu z innymi podejściami, takimi jak manipulacje genetyczne, zapisy elektrofizjologiczne u swobodnie poruszających się szczurów stanowią użyteczny model do precyzyjnego celowania w mechanizmy i obwody leżące u podstaw procesów poznawczych. Zadania wzrokowe naczelnych wymagają od badanych skierowania wzroku na bodźce wzrokowe na monitorze, podczas gdy zadania na szczurach wymagają od badanych interakcji z otoczeniem. Labirynt projekcyjny wykorzystuje naturalną skłonność szczurów do aktywnego eksplorowania otoczenia, jednocześnie zwracając uwagę na bodźce wzrokowe.
Zadania kognitywne z wykorzystaniem urządzeń z ekranem dotykowym zaprojektowanych specjalnie dla gryzoni pozwoliły na lepsze przełożenie wyników z modeli gryzoni na ludzi3. Zadania związane z ekranem dotykowym są zazwyczaj wykonywane w komorze z dwuwymiarowymi bodźcami wizualnymi prezentowanymi pionowo na ścianach3-7. Te zadania na ekranie dotykowym wymagają od fotografowanego cofnięcia się w kierunku docelowego bodźca wzrokowego i przerwania wiązki światła podczerwonego lub naciśnięcia podkładki dociskowej, aby zarejestrować jego reakcję. Dowody anatomiczne i behawioralne sugerują jednak, że szczury przetwarzają informacje wizualne w dolnej półkuli wzrokowej bardziej efektywnie w celu kierowania zachowaniem8-10. Nasze laboratorium opracowało zadania poznawcze z wykorzystaniem Labiryntu Projekcji Podłogowej2, w którym dwuwymiarowe bodźce wizualne są z powrotem rzutowane na podłogę areny testowej. W labiryncie projekcji podłogowej szczury mogą być śledzone podczas wykonywania zadań na dużej otwartej arenie w porównaniu z aparatem z ekranem dotykowym. W ten sposób informacje przestrzenne w zarejestrowanej aktywności neuronalnej mogą być uzyskiwane jako dodatek do neuronalnych korelatów informacji wizualnych i podejmowania decyzji.

Dostarczamy stymulację wewnątrzczaszkową (ICS) do przyśrodkowego pęczka przodomózgowia (MFB) jako nagrodę11. Ta metoda dostarczania nagród ma przewagę nad nagrodami w postaci jedzenia i picia. Nagrody w postaci jedzenia i picia mogą prowadzić do sytości, nawet u szczurów pozbawionych pokarmu, ograniczając liczbę prób, które zwierzę wykona i potencjalnie spowalniając proces szkolenia. ICS zapewnia natychmiastową nagrodę, zapewniając natychmiastową informację zwrotną na temat wydajności zadań. Natychmiastowa nagroda skutkuje szybszym kształtowaniem i przyswajaniem oraz znacznie skraca czas trwania protokołów treningowych. Co więcej, podczas jednej sesji można wykonać większą liczbę prób, co zwiększa ilość zbieranych danych i skutkuje bardziej wiarygodną próbką zachowań związanych z zadaniami.

Korzystając z Labiryntu Projekcji Podłogowej, opiszemy ogólny protokół kształtowania zachowania szczurów do wykonywania złożonych zadań poznawczych. Ten ogólny protokół zapewnia ramy do szkolenia szczurów w różnych zadaniach stosowanych obecnie do rejestrowania neuronalnych korelatów uwagi i dyskryminacjiwzrokowej1. W ten sposób labirynt projekcyjny jest zoptymalizowany pod kątem zdolności wizualnych szczurów i pozwala na silniejsze porównania z zadaniami wzrokowymi u ludzi i naczelnych.

<table><tbody><tr><td>System akwizycji danych neuronowych OmniPlex D</td><td>Wzmacniacz cyfrowy Plexon Inc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>DigiAmp</td><td>Rama Plexon Inc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>do labiryntu projekcyjnego na podłodze</td><td>80/20 Inc</td><td></td><td>15 Series T-slot Projektor</td></tr><tr><td>krótkiego rzutu</td><td>NEC Display Solutions</td><td>WT610E</td><td></td></tr><tr><td>Ekran koronkowy i przelotowy Da-Lite</td><td>Firma produkująca</td> <td>ekrany Da-Lite81326C</td><td></td></tr><tr><td>Plexiglas</td><td>Modern Plastics</td><td></td><td></td></tr><tr><td>SuperPort Karta wejściowa</td><td>Med Associates Inc</td><td>DIG-713A</td><td></td></tr><tr><td>SuperPort Karta wyjściowa</td><td>Med Associates Inc</td><td>DIG-726</td><td></td></tr><tr><td>Moduł interfejsu SmartCtrl</td><td>Med Associates Inc</td><td>DIG-716B</td><td></td></tr><tr><td>Karta dekodera</td><td>Med Associates Inc</td><td>DIG-700F</td><td></td></tr><tr><td>Karta PCI</td><td>Med Associates Inc</td><td>DIG-704PCI-2</td><td></td></tr><tr><td>Programowalny generator audio</td><td>Med Associates Inc</td><td>ANL-926</td><td></td></tr><tr><td>Programowalny stymulator samostymulacji wewnątrzczaszkowej</td><td>Med Associates Inc</td><td>PHM-150B</td><td>Obsługiwany przez kartę PHM-152COM</td></tr><tr><td>2-kanałowa elektroda</td><td>Tworzywa sztuczne1</td><td>MS303/13/SP</td><td>Cięcie 15-20 mm poniżej cokołu</td></tr><tr><td>Oprogramowanie</td> <td>MED-PC IVMed Associates Inc</td><td>SOF-735</td><td></td></tr><tr><td>OmniPlex Software</td><td>Plexon Inc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>CinePlex Software: moduły śledzenia i podstawowego zachowania</td><td>Plexon Inc</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

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

Automated Visual Cognitive Tasks for Recording Neural Activity Using a Floor Projection Maze

Zadania neuropsychologiczne stosowane u naczelnych do badania mechanizmów uczenia się i pamięci są zazwyczaj zadaniami poznawczymi kierowanymi wizualnie. Opracowaliśmy wizualne zadania poznawcze dla szczurów za pomocą labiryntu projekcyjnego1,2, które są zoptymalizowane pod kątem zdolności wzrokowych szczurów, umożliwiając silniejsze porównania wyników eksperymentów z innymi gatunkami.
W celu zbadania neuronalnych korelatów uczenia się i pamięci, zintegrowaliśmy nagrania elektrofizjologiczne z w pełni zautomatyzowanymi zadaniami poznawczymi w Labiryncie Projekcji Pięter1,2. Oprogramowanie behawioralne połączone z systemem śledzenia zwierząt umożliwia monitorowanie zachowania zwierzęcia z precyzyjną kontrolą prezentacji obrazu i ewentualności nagród dla lepiej wyszkolonych zwierząt. Integracja z systemem rejestracji elektrofizjologicznej in vivo umożliwia badanie behawioralnych korelatów aktywności neuronalnej w wybranych epokach danego zadania poznawczego.
Opisujemy protokoły dla systemu modelowego, który łączy automatyczną wizualną prezentację informacji dla gryzoni i wewnątrzczaszkową nagrodę z metodami elektrofizjologicznymi. Nasz system modelowy oferuje wyrafinowany zestaw narzędzi jako ramy dla innych zadań poznawczych, aby lepiej wyizolować i zidentyfikować konkretne mechanizmy przyczyniające się do określonych procesów poznawczych.

Celem ogólnych etapów kształtowania jest aklimatyzacja szczura do areny testowej, wytrenowanie go w pozostawaniu w nieruchomej „pozycji gotowości” przed prezentacją docelowych bodźców wzrokowych oraz podejście do miejsca z poprawnym bodźcem wzrokowym. Po habituacji do pomieszczenia testowego, areny i uprzęży, wczesne kształtowanie (Early shaping) zazwyczaj wymaga 100-150 prób, aż szczury zaczną naprzemiennie odwiedzać wschodnią i zachodnią stronę areny. Podczas wczesnego kształtowania szczury zazwyczaj przebiegają przez obszar gotowości (Ready Area) w centrum areny i spędzają większość czasu na eksploracji obwodu areny (Rysunek 4A). Szczury na etapie kształtowania pośredniego (Intermediate shaping) stopniowo uczą się utrzymywać nieruchomą „pozycję gotowości” w obszarze gotowości, co wymaga 600-700 prób. Na tym etapie ścieżki zwierząt są stereotypowymi pętlami z obszaru gotowości do obszaru obrazu (Image Area), a mniej czasu jest poświęcane na eksplorację obwodu labiryntu. Jednak szczury nie utrzymują jeszcze nieruchomej „pozycji gotowości”, co wskazuje prędkość, z jaką pokonują centralny obszar gotowości (Rysunek 4B).
Pod koniec etapu kształtowania pośredniego szczury utrzymują stacjonarną „pozycję gotowości” w obszarze gotowości przed zbliżeniem się do docelnego bodźca wizualnego. Następnie szczur rozpoczyna kolejną próbę po przeciwnej stronie areny (Rysunek 4C).
Integracja oprogramowania do śledzenia i systemu akwizycji danych neuronowych z systemem kontroli behawioralnej umożliwia analizy danych neuronowych powiązane z konkretnymi zdarzeniami. Sterowalne macierze elektrod mogą być strategicznie rozmieszczone w celu rejestracji aktywności pojedynczych jednostek oraz potencjałów polowych. Rejestracje przeprowadzono w korze postrynalnej, gdy szczury wykonywały zadanie vBCD. Histogramy peryzdarzeniowe i wykresy rastrowe pokazują, że komórki w korze postrynalnej reagują na pojawienie się docelnego bodźca wizualnego oraz na pojawienie się wzoru na podłodze (Rycina 5A). W tylnej korze ciemieniowej szczurów wykonujących zadanie VSA komórki reagują na prezentację obrazu oraz w momencie dokonania wyboru poprzez wejście w strefę definiującą obraz docelowy (Rycina 5B). Aktywność potencjałów polowych w tylnej korze ciemieniowej podczas wykonywania zadania VSA wykazuje silną moc w zakresie theta (~8 Hz), gdy szczury znajdują się w „pozycji gotowości” przed prezentacją obrazu (Rycina 5C).
<img alt="Schemat eksperymentu behawioralnego z konfiguracją, wymiarami labiryntu sześciokątnego oraz interfejsem oprogramowania do śledzenia danych." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51316/51316fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51316/51316fig1.jpg" width="400" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1. Konfiguracja eksperymentalna. A. Schemat pomieszczeń behawioralnego i kontrolnego. Labirynt z projekcją podłogową znajduje się w pomieszczeniu behawioralnym. Szczury są monitorowane za pomocą kamery zamontowanej nad nimi. W pomieszczeniu kontrolnym znajduje się sprzęt do sterowania zadaniem i zbierania danych neuronalnych. B. Wymiary labiryntu w kształcie muszki. C. Zrzut ekranu z programu CinePlex Studio. Strefy są definiowane przez użytkownika. Zdarzenia logiczne są przesyłane jako cyfrowe wyjścia CinePlex do systemu sterowania behawioralnego (Med Associates) w celu monitorowania postępów szczura. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51316/51316fig1highres.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony obraz.</a>
<img alt="Schemat procesu kształtowania zachowania zwierząt; etapy: wczesny, pośredni, późny; progresja prób." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51316/51316fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51316/51316fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2. Schemat etapów kształtowania. A. W fazie wczesnego kształtowania szczur otrzymuje ICS za wejście do strefy gotowości (Ready Area) oraz wejście do wschodniej i zachodniej strefy obrazu (Image Areas). Celem jest nauczenie szczura kojarzenia tych obszarów z nagrodą w postaci ICS. B. Kształtowanie pośrednie koncentruje się na trenowaniu szczurów w utrzymywaniu stacjonarnej „pozycji gotowości” w strefie gotowości. Obrazy są prezentowane dopiero po poprawnym utrzymaniu „pozycji gotowości”. Szczury nadal otrzymują ICS za zbliżenie się do obrazu w strefie obrazu. C. W fazie późnego kształtowania szczur skutecznie utrzymuje stacjonarną „pozycję gotowości”. Trening jest specyficzny dla zadania i polega na uczeniu szczura konkretnych reguł niezbędnych do wykonania danego zadania. Błyskawice oznaczają podanie ICS. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51316/51316fig2highres.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony obraz.</a>
<img alt="Schemat zadań dyskryminacji wizualnej i uwagi z ścieżkami nawigacji myszy." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51316/51316fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51316/51316fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3. A. Schemat zadania vBCD. Gdy podłoga jest szara, nagradzana jest czarna gwiazda; gdy podłoga jest prążkowana, nagradzane jest białe koło. B. Schemat zadania VSA. Szare koła wskazują lokalizacje docelowe w obszarach obrazu. Bodźcem docelowym jest krótkotrwałe (500 msec) podświetlenie (na biało) jednego z kół. Szczury są nagradzane za zbliżenie się do poprawnej lokalizacji docelowej. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51316/51316fig3highres.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony obraz.</a>
<img alt="Schemat procesu morfogenezy; analiza danych dotycząca kształtowania czasowego; dynamika szybka vs. wolna." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51316/51316fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51316/51316fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4. Przykładowe ścieżki podczas kształtowania. Dane pozycyjne z dwuminutowych segmentów szczura wykonującego zadanie na różnych etapach kształtowania. Prędkość zwierzęcia jest przedstawiona za pomocą mapy ciepła. Kolory zimne reprezentują najniższe prędkości, a kolory ciepłe najwyższe prędkości. A. Podczas wczesnego etapu kształtowania szczury eksplorują i wspierają się na zewnętrznych ścianach wschodniego i zachodniego obszaru obrazu i nie zatrzymują się w obszarze gotowości (Ready Area). B. Na etapie pośrednim zaczyna wyłaniać się stereotypowa ścieżka. Ścieżki tworzą pętlę prowadzącą w stronę obszarów obrazu i z powrotem do obszaru gotowości. Szczury zaczynają z sukcesem utrzymywać „pozycję gotowości” w obszarze gotowości. C. Gdy szczury przechodzą do późnego etapu kształtowania, utrzymują stacjonarne „pozycje gotowości”, a ich ścieżki są bardziej stereotypowe. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51316/51316fig4highres.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony obraz.</a>
<img alt="Histogramy odpowiedzi neuronalnych i spektrogram; bodźce wizualne, badanie procesu podejmowania decyzji, analiza danych częstotliwościowych." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51316/51316fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51316/51316fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 5"> 
Rycina 5. Przykłady analiz związanych z konkretnym zdarzeniem. A. Komórki zarejestrowane z kory postrhinalnej podczas zadania vBCD wykazujące różne odpowiedzi na prezentację obrazu docelowego (lewo) oraz prezentację tła (prawo). B. Komórki zarejestrowane z tylnej kory ciemieniowej podczas zadania VSA wykazujące różne odpowiedzi na podświetlenie okręgu (lewo). Zwiększona częstotliwość wyładowań po wyborze lokalizacji przestrzennej, w której podświetlono okrąg docelowy (prawo). C. Spektrogram wykazujący silną moc pasma theta w tylnej korze ciemieniowej podczas „pozycji gotowości”. Pionowa czerwona linia oznacza koniec udanej „pozycji gotowości” i prezentację obrazów. Pionowa niebieska linia oznacza prezentację tła (Floor 1) na początku próby w zadaniu vBCD. Pionowa zielona linia wskazuje moment zarejestrowania wyboru w zadaniu VSA. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51316/51316fig5highres.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony obraz.</a>

Opisujemy protokoły szkolenia szczurów do przewlekłych zapisów elektrofizjologicznych w pełni zautomatyzowanych zadaniach poznawczych w labiryncie projekcji podłogowej.

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

Neuropsychological tasks used in primates to investigate mechanisms of learning and memory are typically visually guided cognitive tasks. We have ...

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.

automated-visual-cognitive-tasks-for-recording-neural-activity-using

Research

JoVE Journal

Behavior

Zachowanie

Zautomatyzowane zadania wzrokowo-poznawcze do rejestracji aktywności neuronów przy użyciu labiryntu projekcyjnego na podłodze

MazeSuite to kompletny zestaw narzędzi do przygotowywania, przeprowadzania i analizowania eksperymentów nawigacyjnych i przestrzennych. Funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni (fNIR) jest optyczną techniką obrazowania mózgu, która umożliwia nieinwazyjne i przenośne monitorowanie zmian w utlenowaniu krwi mózgowej. Niniejszy artykuł podsumowuje wspólne zastosowanie MazeSuite i fNIR w paradygmacie uczenia się procesów poznawczych.

Wykorzystanie MazeSuite i funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni do badania uczenia się w nawigacji przestrzennej

W niniejszym raporcie przedstawiamy w pełni zautomatyzowany i wysoce wszechstronny system umożliwiający jednoczesne badanie wielu zachowań poznawczych oraz rejestrację aktywności neuronów u gryzoni.

W pełni zautomatyzowany i wysoce wszechstronny system do badania wielorakich funkcji poznawczych i rejestracji aktywności neuronalnej u gryzoni

Ten film pokazuje, jak korzystać z labiryntu Barnesa za pomocą myszy. Procedura testowa Barnes Maze jest stosowana przez naukowców do oceny uczenia się przestrzennego i pamięci u zwierząt laboratoryjnych po wielokrotnych próbach.

Labirynt Barnesa: metoda oceny uczenia się przestrzennego i pamięci u zwierząt laboratoryjnych

Celem tego protokołu jest zbadanie poznania przestrzennego u gryzoni. Wodny labirynt z podwójnym H to nowatorski test, który jest szczególnie przydatny do wyjaśnienia różnych elementów uczenia się, konsolidacji i pamięci, a także wzajemnego oddziaływania systemów pamięci.

Labirynt Double-H: solidny test behawioralny do uczenia się i pamięci u gryzoni

Ten artykuł przedstawia zautomatyzowany labirynt T, który wynaleźliśmy, oraz protokół oparty na tym urządzeniu do analizy podejmowania decyzji na podstawie opóźnień i podejmowania decyzji opartych na wysiłku u swobodnie poruszających się gryzoni.

Zautomatyzowane urządzenie i protokół oparty na labiryncie T do analizy podejmowania decyzji w oparciu o opóźnienia i wysiłek u wolno poruszających się gryzoni

Tutaj prezentujemy protokół demonstrujący test behawioralny, który określa ilościowo, jak alternatywne cechy wizualne, takie jak wskazówki ruchu, wpływają na decyzje kierunkowe u ryb. Przedstawiono reprezentatywne dane dotyczące szybkości i dokładności, z jaką Golden Shiner (Notemigonus crysoleucas) śledzi ruchy wirtualnych ryb.

Integracja wizualnych testów psychofizycznych w labiryncie Y w celu wyizolowania roli, jaką cechy wizualne odgrywają w decyzjach nawigacyjnych

Zwyrodnienie neuronów zarówno w oczach, jak i mózgu w wyniku cukrzycy można zaobserwować dzięki testom behawioralnym przeprowadzonym na gryzoniach. Labirynt Y, miara poznania przestrzennego, i odpowiedź optomotoryczna, miara funkcji wzrokowych, zapewniają wgląd w potencjalne diagnozy i leczenie.

Behawioralna ocena funkcji wzrokowych poprzez reakcję optomotoryczną i funkcję poznawczą za pomocą labiryntu Y u szczurów z cukrzycą

Celem było zaprojektowanie, zbudowanie i pilotowanie nowatorskiego zadania w wirtualnej rzeczywistości, aby wykryć i scharakteryzować jednostronne zaniedbanie przestrzenne, syndrom dotykający 23-46% osób, które przeżyły ostry udar, rozszerzając rolę wirtualnej rzeczywistości w badaniu i leczeniu chorób neurologicznych.

Narzędzia rzeczywistości wirtualnej do oceny jednostronnych zaniedbań przestrzennych: nowe możliwości gromadzenia danych

Obecny protokół opisuje rekonfigurowalny labirynt, unikalny system do testowania nawigacji przestrzennej i fenotypów behawioralnych u gryzoni. Zdolność adaptacji tego systemu labiryntów umożliwia wykonywanie różnych eksperymentów w jednym środowisku fizycznym. Łatwość przegrupowania strukturalnego pozwala uzyskać wiarygodne i powtarzalne wyniki eksperymentalne.

Wykorzystanie rekonfigurowalnego systemu labiryntów w celu zwiększenia powtarzalności testów nawigacji przestrzennej u gryzoni

Większość eksperymentów behawioralnych dla gryzoni została pierwotnie opracowana dla szczurów. Ze względu na różnice behawioralne między szczurami a myszami, czasami wymagane są modyfikacje dla myszy. Przedstawiamy metodę badania przestrzennej pamięci roboczej u myszy, minimalizującą stres podczas zadania pamięci roboczej.

Zadanie związane z przestrzenną pamięcią roboczą dla myszy w półautomatycznym 8-ramiennym labiryncie promieniowym, zmniejszające skojarzenia pamięci lękliwej w labiryncie

Poznaj zautomatyzowane zadania poznawcze z wizualizacją w labiryncie projekcji podłogowej do rejestrowania aktywności neuronalnej u szczurów. Ta metoda umożliwia badanie korelatów neuronalnych uczenia się i uwagi.

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

Przeglądaj więcej filmów