Расследование представлений объектов в макаки дорсальный поток Visual с использованием единичного записей

Summary

Представлен подробный протокол для анализа объекта избирательности теменно лобной нейронов, участвующих в зрительномоторной преобразований.

Abstract

Предыдущие исследования показали, что нейроны в теменно лобных областях мозга, макаки может быть весьма избирательно для реальных объектов, несоответствие определяемых изогнутых поверхностей и изображения реальных объектов (с и без разрыва) аналогичным образом как описано в вентральной визуальные поток. Кроме того теменно лобной области предполагается преобразовать визуальный объект сведения в соответствующие мотор выходов, например предварительно формирование руки во время цепляние. Чтобы лучше характеризуют объект избирательности в кортикальной сети участвующих в зрительномоторной преобразований, мы предоставляем тестов, предназначенных для анализа селективности визуального объекта нейронов в регионах теменно лобной.

Introduction

Человека и нечеловеческих приматов поделиться возможности выполнения сложных мотор действий, включая объект цепляние. Для успешного выполнения этих задач, наш мозг должен завершить преобразование свойства встроенных объектов в мотор команды. Это преобразование базируется на сложной сети спинной корковых территорий, расположенных в теменной и брюшной премоторной коры^1,2,3 (рис. 1).

От поражения исследований в обезьян и людей^4,5мы знаем, что визуальные дорсальный поток - из первичной зрительной коры и направлены на задней теменной коре - участвует в пространственное видение и планирования Мотор действия. Однако большинство районов дорсальный поток не посвящены уникальный тип обработки. Например передняя intraparietal области (AIP), одной из областей конце стадии в спинной визуального потока, содержит различные нейронов, которые огонь не только во время схватив^6,7,8, но и во время визуального инспекция объектов^7,8,9,10.

Подобно к AIP, нейроны в районе F5, расположенный в вентральной премоторной коры (ПМВ), также реагировать во время визуального фиксации и схватив, объект, который может иметь важное значение для трансформации визуальной информации в мотор действия¹¹. Передняя часть этого региона (подсекторе F5a) содержит нейронов избирательно реагировать трехмерной (3D, несоответствие определяемых) Фото^12,13, в то время как подсектора, расположенный в выпуклости (F5c) содержит нейронов характеризуется зеркало свойства^1,3, выпустив так когда животное выполняет или отмечает действия. Наконец задняя F5 региона (F5p) является полем связанных с рук, с значительная часть зрительномоторной нейронов реагировать как наблюдения и схватив 3D объектов^14,15. Рядом с F5, площадь 45B, расположенный в нижней Рамус аркообразный борозды, также могут быть вовлечены в форму обработки^16,17 и схватив¹⁸.

Проверка объекта избирательности в лобной и теменной коре является сложной задачей, потому что это трудно определить, какие возможности реагировать на эти нейроны и каковы восприимчивы поля этих нейронов. Например, если нейрон отвечает на тарелку, но не на конус, который особенность этих объектов является движущей эта избирательность: 2D контур, 3D структура, ориентация в глубине или сочетание многих различных функций? Чтобы определить критический объект функции для нейронов, которые реагируют во время фиксации объекта и цепляния, необходимо применять различные визуальные тесты с использованием изображений объектов и снижение версии те же изображения.

Значительная часть нейронов в AIP и F5 не реагирует только для визуального представления объекта, но и когда животное захватывает этот объект в темноте (т.е. в отсутствие визуальной информации). Такие нейроны могут не отвечать на изображение объекта, который не может быть понято. Следовательно визуальные и двигательных компонентов ответа тесно связаны, что затрудняет расследование нейрональных объектное представление в этих регионах. Поскольку зрительномоторной нейронов может испытываться только с объектами реального мира, нам нужна гибкая система для представления различных объектов на различных должностях в поле зрения и в различных ориентациях, если мы хотим определить, какие функции имеют важное значение для этих нейроны. Последний может быть достигнуто только с помощью робота, способного представления различных объектов в разных местах визуального пространства.

Эта статья намеревается представить экспериментальный руководства для исследователей, заинтересованных в изучении теменно лобной нейронов. В следующих разделах мы будем предоставлять общий протокол, используемый в нашей лаборатории для анализа ответов схватив и визуального объекта в бодрствовать макаки обезьян (Macaca мулатка).

Protocol

Все технические процедуры выполнялись в соответствии с национальным институтом здравоохранения руководство для ухода и использования лабораторных животных и директивы ЕС 2010/63/ЕС и были утверждены Этический Комитет ку Лёвен.

1. Общие методы для внеклеточного записей в бодрствовать себя обезьян

1. Поезд животных для выполнения задач визуального и мотор, необходимых для решения ваших конкретных исследований вопрос. Убедитесь, что животное может гибко переключаться между задачами в ходе той же сессии записи, чтобы протестировать нейрон широко и получить более глубокое понимание особенностей вождения нейронной ответ (Рисунок 2-3).
   1. Поезд животного в Visually-Guided схватив (VGG; схватив «в свете») для оценки зрительномоторной компоненты ответа. Примечание: независимо от выбранной задачи, постепенно ограничивают потребление жидкости по крайней мере за три дня до начала этапа обучения.
      1. Останови обезьяны головы на протяжении всего экспериментальной сессии.
      2. На первых сессиях держать руку контралатеральной запись камеры в положении покоя и помочь животным достичь и понять объект, давая ручной награду после каждой попытки.
      3. Поместите обратно на руку обезьяны на положении покоя в конце каждого испытания.
      4. Каждые несколько испытаний, отпустите руку обезьяны и подождать несколько секунд, чтобы наблюдать, если животное начинает движение спонтанно.
      5. Применить ручной награду, когда обезьяна достигает к объекту.
      6. При достижении этапа приобретается правильно, помочь животным поднимать (или тянуть) объект и вознаграждения вручную.
      7. 1.1.1.4 и 1.1.1.5 отпустите руку обезьяны и подождать несколько секунд, чтобы наблюдать, если животное начинает движение спонтанно. Дать награду, всякий раз, когда движение выполняется правильно.
      8. Правильно достижения, позиции и ориентации запястья, как столько раз, сколько необходимо во время процедуры.
      9. Повторите шаги, описанные выше, до тех пор, пока животное выполняет последовательность автоматически.
      10. Загрузите автоматическую задачу. Животное получает вознаграждение автоматически, когда он выполняет досягаемости и ГРАСП движений за заданное время.
      11. Постепенно увеличивайте время выдержки объекта.
      12. Ввести лазер, который проецирует точку фиксации на базе объекта. Затем добавьте глаз трекер, чтобы контролировать положение глаз вокруг объекта к быть понято.
   2. Поезд животного в схватив Memory-Guided (МГГ) расследовать моторного компонента ответ, не пострадавших от визуального компонента стимула.
      1. Удержать голову обезьяны.
      2. Выполните те же шаги, описанные для VGG, убедившись, что животное поддерживает фиксации на лазер во время задачи в электронном виде определенном окне. Для этой версии задачи свет гаснет в конце периода фиксации.
   3. Поезд обезьяна в пассивной фиксации визуального отклика и формы избирательности.
      1. Удержать голову обезьяны.
      2. Представить визуальные раздражители обезьяна с помощью ЭЛТ (пассивный фиксации 3D раздражителей) или LCD монитор (пассивный фиксации 2D раздражителей).
      3. Настоящее время фиксации пятно в центре экрана, наложенная на визуальные раздражители.
      4. Наградить животное после каждой презентации стимула и постепенно увеличивать период фиксации до достижения стандартов задачи.
2. Выполняют операции, используя стерильные инструменты, шторы и халаты.
   1. Анестезировать животное с кетамин (15 мг/кг, внутримышечно) и medetomidine гидрохлорид (0,01-0,04 мл/кг внутримышечно) и подтвердите анестезии регулярно проверяя животного в ответ на раздражители, пульс, частота дыхания и крови давление.
   2. Поддержание общей анестезии (пропофола 10 мг/кг/ч внутривенно) и администрировать кислорода с трахеи трубку. Используйте мазь на основе lanolim чтобы предотвратить сухость глаз под наркозом.
   3. Предоставить обезболивание с помощью 0,5 ЦК бупренорфин (0,3 мг/мл внутривенно). В случае увеличения частоты сердечных сокращений во время операции может проводиться дополнительная дозировка.
   4. Имплантат МРТ совместимый головной пост с керамические винты и стоматологическая акрил. Выполняйте все операции выживания в строгих асептических условиях. Для надлежащего обслуживания стерильных поля используйте одноразовые стерильные перчатки, маски и стерильные инструменты.
   5. Руководствуясь анатомические магнитно-резонансной томографии (МРТ; Horsley-Clark координаты), сделать краниотомии выше области интересов и имплантировать записи камеры на череп обезьяны. Используйте стандартные записи камеры для внеклеточного записей одного подразделения или многоэлектродный microdrive, для одновременной записи нескольких нейронов.
   6. После операции прекратите внутривенного введения пропофола пока спонтанное дыхание возобновляется. Не оставлять без присмотра животного до тех пор, пока он сознание и ввести животное в социальной группе только после полного выздоровления.
   7. Обеспечить послеоперационное обезболивание, как рекомендовано ветеринаром институциональных; Например используйте мелоксикам (5 мг/мл внутримышечно).
   8. Подождите 6 недель после операции до начала эксперимента. Это позволяет лучше Анкоридж голову поста в череп и гарантии, которые животное полностью оправился от вмешательства.
3. Локализовать области записи, с помощью МРТ (для одного подразделения внеклеточного записей) и компьютерная томография (CT; для многоэлектродный записей).
   1. Заполнить стакан капилляров с 2% раствором медного купороса и вставьте их в сетку записи.
   2. Выполнение структурной МРТ (ломтик толщина: 0.6 мм).
4. Мониторинг нейронной активности.
   1. Используйте микроэлектродов вольфрама с импедансом 0,8 – 1 MΩ.
   2. Вставьте электрод через Дура, используя руководство трубки из нержавеющей стали 23G и гидравлические microdrive.
   3. Спайк дискриминации усилить и фильтровать нейронной активности от 300 до 5000 Гц.
   4. Для локального поля потенциальных записей (LFP) усиливают и фильтрация сигнала между 1 и 170 Гц.
5. Мониторинг сигнала глаз
   1. Настройка инфракрасной камеры глазах животного для получения адекватного изображения зрачка и роговицы рефлекс.
   2. Используйте на основе инфракрасной камеры образец позиции ученика на 500 Гц.

2. расследование объект избирательности в спинной областей

1. Выполняют визуально руководствуясь схватив (VGG).
   1. Выбрать правильный схватив установки в зависимости от цели исследования: Карусель установки или установки робот (рис. 3).
   2. Для установки карусели запустите задачу VGG:
      1. Пусть обезьяна Положите руку контралатеральной записанные полушарие в положении покоя в полной темноте инициировать последовательность.
      2. После переменной времени (intertrial интервал: 2,000-3,000 мс), применить красный лазер (точка фиксации) на базе объекта (расстояние: 28 см от глаза обезьян). Если животное сохраняет свой взгляд внутри электронно определяемые фиксация окна (+/-2,5 °) для 500 мс, осветить объект сверху с источником света.
      3. После того, как переменной задержки (300-1500 мс), программа затемнения лазер (визуальный сигнал идти) инструктажа обезьяны, чтобы поднять руку от положении покоя и достичь, понять и удерживайте объект для переменной интервала (время выдержки: 300-900 МС).
      4. Всякий раз, когда животное правильно выполняет всю последовательность, награда его с капелькой сока.
   3. Используйте подобные последовательность задач для установки робота.
      1. Что касается установки Карусель пусть обезьяна Положите руку контралатеральной записанные полушарие в положении покоя в полной темноте инициировать последовательность.
      2. После переменной времени (intertrial интервал: 2,000-3,000 мс), загорается светодиод (точка фиксации) на объекте (изнутри; расстояние: 28 см от глаза обезьян). Опять же если животное сохраняет свой взгляд внутри электронно определяемые фиксация окна (+/-2,5 °) для 500 мс, осветить объект из внутри с источником белого света.
      3. После того, как переменной задержки (300-1500 мс), выключить светодиод (визуальный сигнал идти), инструктируя обезьяны, чтобы поднять руку от положении покоя и достичь, понять и удерживайте объект для переменной интервала (время выдержки: 300-900 МС).
      4. Всякий раз, когда животное правильно выполняет всю последовательность, награда его с капелькой сока.
   4. Во время задачи количественную оценку производительности обезьяны, обращая особое внимание на сроки. Мера как время, прошедшее между пойдем сигнала и началом движения руки (время реакции) и между началом движения и подъема объекта (схватив время).
2. Выполнять памяти руководствуясь схватив (МГГ; «Схватив в темноте»). Используйте задачу МГГ для определения, если нейроны являются зрительномоторной или мотор доминантный.
   Примечание: Последовательность аналогична описанной для VGG, но объект захватил в полной темноте.
   1. Идентичен VGG задачи, пусть обезьяна место руку контралатеральной записанные полушарие в положении покоя в полной темноте инициировать последовательность.
   2. После переменной времени (intertrial интервал: 2,000-3,000 мс), применить красный лазерный/светодиодный (точка фиксации) для указания точки фиксации (на базе объекта для установки карусель, в центре объекта для установки робота; расстояние: 28 см от глаза обезьян) . Если животное сохраняет свой взгляд внутри электронно определяемые фиксация окна (+/-2,5 °) для 500 мс, осветить объект.
   3. После фиксированного времени (400 мс) Выключите свет.
   4. После переменной задержки период (300-1500 мс) после свет смещение, Дим/выключить точки фиксации (GO CUE), поручить обезьяны, чтобы поднять руку и досягаемости, ГРАСП и удерживайте объект (время выдержки: 300-900 МС).
   5. Всякий раз, когда животное выполняет всю последовательность правильно, дайте капля сока как награду.
3. Выполнение пассивной фиксации. Что касается задачи VGG выберите наиболее подходящие настройки (карусель или робот установки) в зависимости от цели исследования.
   Примечание: Две разные пассивной фиксации задачи могут быть выполнены: пассивный фиксации реальных объектов (с помощью объектов к быть понято в карусели и робот установок) и пассивных фиксации изображения 3D/2D объектов.
   1. Выполнение пассивной фиксации объектов реального мира.
      1. Представить точку фиксации (красный лазер для установки карусели, прогнозируемые на основе объекта и красный светодиод в робота установки).
      2. Если животное сохраняет свой взгляд внутри электронно определяемые фиксация окна (+/-2,5 °) для 500 мс, осветить объект для 2000 мс.
      3. Если животное сохраняет свой взгляд в окне для 1000 мс, награда его с капелькой сока.
   2. Выполнение пассивной фиксации изображений 3D/2D объектов.
      1. Представить все визуальные раздражители на черном фоне (яркости 8 cd/m²) используя монитор (разрешение 1280 × 1024 пикселей) с быстро распада P46-люминофор и работал на 120 Гц (расстояние просмотра: 86 см).
      2. В 3D испытаний представляют раздражители стереоскопично, чередуя левого и правого глаза изображения на дисплей (CRT монитор), в сочетании с двух створок сегнетоэлектрических жидких кристаллов. Найдите эти жалюзи глазах обезьяны, работают на 60 Гц и синхронизировать вертикальной проследить монитора.
      3. Начало судебного разбирательства, представив на небольшой площади в центре экрана (точки фиксации; 0,2 ° × 0,2 °). Если положение глаз остается в электронном виде определенных 1° квадратных окна (гораздо меньше, чем для реальных объектов) для по крайней мере 500 мс, настоящий визуальный стимул на экране, в течение всего времени 500 мс.
      4. Когда обезьяна ведет Стабильная фиксация до смещение стимул, награда его с капелькой сока.
      5. Для надлежащего изучения формы избирательности запустите всеобъемлющую батарея тестов с 2D изображения при пассивной фиксации задачи, в следующей последовательности.
      6. Запуск поиска теста. Тестирование визуальных селективность ячейки, используя широкий набор рисунков (поверхности; На рисунке 4A), включая фотографии объекта, будет держаться в VGG. Для этого и все последующие визуальные задачи Сравните изображения вызвав сильнейшие ответ (назвать «предпочтительный образ») второе изображение, к которому нейрон слабо реагирует (термин «nonpreferred»). Если нейрон изучается также реагирует на изображения объектов, Поиск компонентов конкретных стимулов, вождение реакции клетки (контурная теста, восприимчивы полевых испытаний и сокращения тест).
      7. Запустите тест контур. Из оригинального поверхности изображения реальных объектов (2D или 3D изображения, содержащие текстуры, затенение и перспективы) получить постепенно упрощенные версии той же фигуры стимул (силуэты и контуры; Рисунок 4B). Соберите по крайней мере 10 испытаний на состояние для того, чтобы определить, предпочитает ли нейрон исходной поверхности, силуэт или наброски от оригинальной формы.
      8. Запустите тест восприимчивы области (РФ). Чтобы сопоставить РФ нейрона, представляют изображения объектов в различных позициях на экране (в этом эксперименте, 35 позиций; размер стимула 3 °), охватывающий центрального поля зрения^19,20. Собрать достаточно стимул повторений на всех возможных позиций в разумные сроки, сократить продолжительность стимул (промелькнула стимулы, стимулы длительность: 300 мс, intertrial интервал: 300 мс).
      9. Запустите тест сокращения. Запустите тест сокращение с контурной фрагментов, представленных в центре РФ для определения минимальной эффективной формы функция (MESF). Создать набор стимулов в Photoshop, обрезка контура каждого из исходного контура фигуры вдоль главной оси (рис. 3B). Дизайн MESF как маленький фрагмент форму, вызывая в ответ, что по крайней мере 70% нетронутыми структуры ответа и не значительно меньше, чем этот ответ⁸.
      10. Для лучшего оценки позиции зависимостей (эффект стимула позиции на фрагмент избирательности) запустить две разные тесты. Запуск теста сокращение с фрагментами, расположен в позиции, оккупированных в первоначальную форму контура. Запустите тест сокращение с фрагментов в центр масс фигуры.
      11. На данном этапе запустите сопоставление нового RF, с помощью MESF.

Results

Рисунок 5 участков ответы пример нейрон, записанная из района F5p протестированы с четырьмя объектами: две разные формы - сферы и плита-показано в двух разных размеров (6 и 3 см). Этот частности нейрон ответил не только большой шар (оптимальное стимул; верхней левой панели), но и на большой тарелке (нижней левой панели). В сравнении, ответ на меньшие объекты был слабее (верхней и нижней правой панели).

Discussion

Комплексный подход к изучению дорзального потока требует тщательного отбора поведенческих задач и визуальные тесты: визуальные и схватив парадигмы могут использоваться комбинированные или отдельно в зависимости от конкретных свойств этого региона.

В этой статье, мы предоставляем примеры нейронной активности, записанная в AIP и F5p в ответ на подмножество задач визуального и мотор, но очень похожи ответы можно наблюдать в других лицевые поверхности такие области 45B и F5a.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Захватный робот	GIBAS Universal Robots	UR-6-85-5-A	Робот-манипулятор оснащен захватным
карусельным двигателем	Siboni	RD066/† 20 MV6, 35x23 F02	Мотор будет реализован в вертикальной карусели по индивидуальному заказу. Он позволяет вращать карусель.
Eye tracker	SR Research	EyeLink II	Система отбора проб инфракрасной камеры с частотой дискретизации 500 Гц
Фильтр	Wavetek Rockland	852	Электронные фильтры выполняют различные функции обработки сигнала с целью удаления нежелательных частотных составляющих сигнала.
Предусилитель	BAK ELECTRONICS, INC.	A-1	Модель A-1 позволяет снизить входную емкость и шумоподавление, а также позволяет тестировать импеданс для металлических микроэлектродов
	FHC	UEWLEESE*N4G	Металлические микроэлектроды (* = Импеданс, выбирается исследователем)
ЭЛТ-монитор	Vision Research Graphics	M21L-67S01	ЭЛТ-монитор оснащен быстрораспадающимся P46-люминофором, работающим на частоте 120 Гц
Сегнетоэлектрические жидкокристаллические затворы	Панель жалюзи Display Tech	FLC; LV2500P-OEM	Жалюзи работают с частотой 60 Гц перед обезьянами и синхронизированы с вертикальной трассировкой монитора