Tarefas cognitivas Visuais automatizadas para gravação Atividade Neural Usando uma projeção Piso Labirinto

O objetivo geral deste protocolo é demonstrar procedimentos otimizados de modelagem e treinamento para tarefas cognitivas visuais totalmente automatizadas e aquisição simultânea de dados neurais em ratos, utilizando um labirinto com projeção no piso. Isso é alcançado pela integração de sistemas de rastreamento de vídeo e de aquisição de dados neurais com um sistema de controle comportamental capaz de fornecer estímulos relevantes para a tarefa e recompensa intracraniana de acordo com o comportamento do animal. Após os ratos aprenderem a manter uma posição estacionária de prontidão no centro da arena, surgem imagens-alvo que exigem uma resposta comportamental relevante de acordo com as regras da tarefa.

Dados neurais com carimbo de tempo para análises peri-evento mostram correlatos neurais com a posição de prontidão, o início da apresentação da imagem-alvo e outros eventos relevantes para a tarefa. O mais interessante sobre esta técnica é que a projeção no piso aproveita evidências comportamentais e anatômicas de que ratos processam informações visuais em seu hemifield visual inferior. Além disso, tarefas projetadas neste aparato aproveitam a tendência natural do rato de explorar o ambiente.

Por fim, uma grande variedade de tarefas cognitivas guiadas visualmente pode ser projetada para explorar a função cognitiva em modelos de roedores. Desenvolvemos o labirinto com projeção no piso para obter maior validade e relevância translacional para estudos realizados em humanos e primatas não humanos. Esta técnica tem melhor aplicação para compreender distúrbios humanos de memória e atenção, pois esses distúrbios envolvem o processamento de informações visuais.

O labirinto com projeção no piso é um campo aberto sem paredes. Uma tela de projeção traseira serve como piso do aparelho. Qualquer formato de arena de labirinto pode ser colocado no piso, ou bordas visuais virtuais podem ser projetadas.

O piso da tela de projeção traseira é construído em três camadas. Um tecido de visão dupla é esticado sobre uma peça retangular grossa de plexiglass. Uma camada fina de plexiglass é colocada sobre o tecido para proteger o material da tela, formando um sanduíche.

O material da tela entre o plexiglás grosso na parte inferior e o plexiglás fino na parte superior proporciona a projeção de imagem mais eficaz abaixo e ao lado do labirinto, onde está posicionado um projetor de curta distância, que projeta imagens por trás na face inferior do piso do labirinto. Uma câmera acoplada acima, conectada a um computador com o módulo básico de comportamento Cineplex, fornece rastreamento de vídeo e análise em tempo real dos dados de posição. Para acompanhar a posição da rata, anexe LEDs ao estágio craniano da rata ou rastreie o OID do contorno da rata. Com o sistema de rastreamento de vídeo, a arena de teste para tarefas comportamentais colocada sobre o plexiglás deve ser construída com material fosco.

Ao utilizar o sistema de aquisição de dados neurais, certifique-se de que o labirinto com projeção no piso e o sistema ICS estejam aterrados ao pré-amplificador para minimizar o ruído elétrico. Primeiro, habitue a ratazana à sala de comportamento por 10 minutos com o equipamento ligado, depois retorne a ratazana à colônia no dia seguinte. Repita este procedimento.

No terceiro dia, conecte os cabos do CI e do estágio cranial ao rato e habitue o animal à arena de teste por 10 minutos. No quarto dia, determine a menor amplitude de CI para estabelecer uma preferência de lugar. Utilizando um protocolo informal de condicionamento de preferência de lugar.

Aumente lentamente as amplitudes do pulso um e do pulso dois até que o rato esteja condicionado ao local onde ocorre a recompensa por EIC. Valores típicos de amplitude estão entre 20 e 80 microampères. A partir do quinto dia, aplique uma recompensa por EIC para treinar os ratos na área de prontidão e na entrada nas áreas das imagens leste e oeste.

Continue o treinamento até que a rata alterne entre as duas áreas de imagem. É fundamental treinar as ratas para manterem uma posição pronta estacionária na área de prontidão. A posição pronta controla a direção a partir da qual a rata se aproxima das imagens-alvo e as distâncias das quais a rata visualiza as imagens apresentadas.

Para a fase intermediária, introduza 50 decibéis de ruído branco para sinalizar o início de um ensaio. Desligue o ruído branco quando a rata entrar na área de prontidão. Automatize a entrega de uma recompensa por estimulação cerebral intracraniana (ICS) ao rato por entrar na área de prontidão e por completar com sucesso as posições de prontidão.

Diminua gradualmente as probabilidades de recompensa para a entrada na área de prontidão e para a conclusão bem-sucedida das posições de prontidão para entre zero e 10%. Ao mesmo tempo, aumente progressivamente a posição de prontidão. Utilize latências em incrementos de 100 milissegundos para treinar a ratazana a parar e esperar na posição de prontidão. Nesta fase do treinamento, é importante não recompensar excessivamente as ratazanas na posição de prontidão, pois o treinamento excessivo resultará em atraso na transição para o modelamento tardio e para regras específicas da tarefa.

Se a rata interromper prematuramente a posição de prontidão, ligue o ruído branco. A rata deverá reiniciar o ensaio no lado oposto da arena. Prossiga para o modelamento tardio quando a rata conseguir manter com confiabilidade a posição de prontidão por até 1200 milissegundos em cada ensaio.

Uma nova duração da posição pronta determina por quanto tempo a ratazana deve permanecer imóvel antes do aparecimento das imagens-alvo. O treinamento durante o modelamento tardio é específico para a tarefa e é automatizado em todos os parâmetros da tarefa. Com a flexibilidade de entregar manualmente recompensas por ICS durante o treinamento inicial na tarefa de discriminação condicional visual, treine as ratazanas em uma discriminação simples de forma e luminância.

Inicie o ensaio ligando o ruído branco. Varie a duração exigida para que o rato permaneça na posição pronta entre os ensaios. Se um rato não estiver mantendo de forma confiável uma posição pronta estacionária, aplique uma recompensa por ICS.

Apresente manualmente um par de imagens na área de apresentação de imagens, exibindo aleatoriamente a imagem correta no lado esquerdo ou direito da área de imagens. Forneça uma recompensa de ICS quando o rato se aproximar da imagem correta no primeiro dia de treinamento.

Emita apenas uma rajada de ruído branco de 75 decibéis como dissuasor para uma resposta incorreta. Realize uma tentativa de correção após uma tentativa incorreta. As tentativas de correção são realizadas no lado oposto da arena.

Utilize o mesmo lado esquerdo ou direito correto e a mesma latência de posição pronta do ensaio incorreto anterior. Assim que o rato realizar com sucesso a discriminação simples de luminância, introduza a tarefa de discriminação condicional bicondicional. Não emita rajadas de ruído para ensaios incorretos.

Na tarefa de discriminação bicondicional, a imagem correta é determinada pelo padrão do piso. Por exemplo, a estrela preta é a correta quando o piso é listrado e o círculo branco é o correto. Quando o piso é cinza, os ensaios alternam entre os lados leste e oeste, com a imagem correta apresentada.

De forma pseudoaleatória no lado esquerdo ou direito da área da imagem, implemente ensaios de correção após ensaios incorretos. Para a tarefa de atenção espacial visual, apresente círculos cinza em locais espaciais definidos. Inicie o ensaio com ruído branco e desligue-o quando o rato entrar na área de prontidão.

Após o rato manter a posição de prontidão pela duração exigida, ilumine o círculo-alvo tornando-o branco. Os locais corretos são atribuídos de forma pseudoaleatória. Após o rato completar com sucesso a posição de prontidão, ilumine um círculo-alvo e administre uma recompensa por ICS.

Quando o rato se aproxima do círculo correto dentro de cinco segundos, se o rato se aproximar de um círculo diferente, nenhuma recompensa é fornecida. O rato inicia um novo ensaio no lado oposto da arena. Se o rato não se aproximar de nenhum círculo dentro de cinco segundos, registre isso como um ensaio de omissão.

Illumine todo o piso e não forneça uma recompensa inicialmente. Mantenha o círculo-alvo iluminado até que o rato se aproxime dele. Conforme o aprendizado progrida, diminua gradualmente o tempo em que o círculo-alvo permanece iluminado.

Quando a taxa de acerto da rata atingir 80%, reduza o tempo de iluminação no círculo-alvo para um segundo e não faça outras alterações. Quando a rata alcançar 80% de acertos na condição de iluminação de um segundo, reduza o tempo da dica para 500 milissegundos. A modelagem inicial geralmente exige de 100 a 150 tentativas para que as ratas alternem entre as áreas leste e oeste da arena.

Durante o modelamento inicial, as ratas geralmente correm pela área de espera no centro da arena e passam a maior parte do tempo explorando o perímetro da arena. Para o modelamento intermediário, as ratas precisam de 600 a 700 tentativas para manter de forma confiável a posição estacionária exigida. Seus trajetos são laços estereotipados da área de espera até a área da imagem.

Com menos tempo gasto explorando o perímetro da arena. Ao final da modelagem intermediária, os ratos mantêm de forma confiável uma posição estacionária de prontidão na área de espera. Antes de se aproximar do estímulo visual alvo, o rato então inicia o próximo ensaio no lado oposto da arena.

No final da fase de modelagem tardia, a atividade de unidade única e potenciais de campo locais foram coletadas pelo sistema de aquisição de dados neurais. No córtex postal de ratos realizando a tarefa VBCD, as células aumentaram sua taxa de disparo no início da apresentação do alvo e diminuíram no início da apresentação do padrão de piso. No córtex parietal posterior de ratos realizando a tarefa VSA, as células aumentaram sua taxa de disparo em resposta à iluminação do círculo.

E quando o rato se aproximava do círculo-alvo na tarefa VSA, enquanto os ratos estavam na posição de prontidão antes da iluminação do círculo, a atividade do potencial de campo local no córtex parietal posterior mostrou forte potência na faixa teta, em torno de oito hertz. Ao seguir esses protocolos de modelagem e treinamento, pode-se projetar uma infinidade de tarefas para explorar a função cognitiva e o processamento visual em modelos de roedores.

Essa técnica fornece um paradigma comportamental sofisticado para pesquisadores na área de aprendizado, memória e atenção, que oferece maior relevância translacional dos achados em modelos de roedores para os seres humanos.