Автоматизированные Визуальные Задачи Когнитивные для записи нейронной активности с использованием этаж Проекция Maze

Общая цель данного протокола — продемонстрировать оптимизированные процедуры формирования навыков и обучения для полностью автоматизированных зрительных когнитивных задач и одновременного сбора нейронных данных у крыс с использованием лабиринта с напольной проекцией. Это достигается путем интеграции систем видеотрекинга и сбора нейронных данных с системой поведенческого контроля, способной подавать релевантные задаче стимулы и внутричерепное вознаграждение в зависимости от поведения животного. После того как крысы научатся удерживать стационарное исходное положение в центре арены, появляются целевые изображения, требующие соответствующей поведенческой реакции согласно правилам задачи.

Нейронные данные с временными метками для анализа периодов вокруг событий демонстрируют нейронные корреляты позиции готовности, начала предъявления целевого изображения и других значимых для задачи событий. Особенность данной методики заключается в том, что гонка с проекцией на пол использует поведенные и анатомические данные о том, что крысы обрабатывают визуальную информацию в нижнем визуальном полуполе. Кроме того, задачи, разработанные для этого аппарата, используют естественную склонность крыс исследовать окружающую среду.

Наконец, может быть разработано множество когнитивных задач с визуальным руководством для изучения когнитивных функций на моделях грызунов. Мы разработали лабиринт с проекцией на пол для обеспечения более высокой валидности и трансляционной значимости исследований, проводимых на людях и приматах. Этот метод более применим для понимания нарушений памяти и внимания у человека, поскольку данные расстройства связаны с обработкой визуальной информации.

Лабиринт с напольной проекцией представляет собой открытое поле без стен. В качестве пола аппарата используется экран для обратной проекции. На полу может быть размещена арена лабиринта любой формы, либо могут быть спроецированы виртуальные визуальные границы.

Пол экрана для обратной проекции состоит из трех слоев. Ткань с двойным видением натянута на толстый прямоугольный лист плексигласа. Чтобы защитить материал экрана, сверху на ткань помещен тонкий слой плексигласа, создавая своего рода «сэндвич».

Экранный материал, расположенный между толстым оргстеклом снизу и тонким оргстеклом сверху, обеспечивает наиболее эффективную проекцию изображения; под лабиринтом и сбоку от него находится короткофокусный проектор, который проецирует изображения на нижнюю сторону пола лабиринта. Навесная камера, подключенная к компьютеру с базовым модулем поведения Cineplex, обеспечивает видеотрекинг и онлайн-анализ позиционных данных. Для отслеживания положения крысы можно либо закрепить светодиоды на головном модуле крысы, либо отслеживать OID контура крысы. При использовании системы видеотрекинга тестовая арена для поведенческих задач, помещенная на оргстекло, должна быть изготовлена из матового материала.

При использовании системы сбора нейронных данных убедитесь, что лабиринт с напольной проекцией и система ICS заземлены относительно предусилителя для минимизации электрических помех. Сначала приучайте крысу к поведенческой комнате в течение 10 минут при включенном оборудовании, затем на следующий день верните крысу в колонию. Повторите эту процедуру.

На третий день подключите кабели ICS и головного модуля к крысе и приучайте животное к тестовой арене в течение 10 минут. На четвертый день определите минимальную амплитуду ICS для формирования предпочтения места, используя неформальный протокол кондиционирования предпочтения места.

Медленно увеличивайте амплитуду первого и второго импульсов, пока крыса не будет приучена к месту, где подается ICS-поощрение. Типичные значения амплитуды составляют от 20 до 80 micro ampers. Начиная с пятого дня, подавайте ICS-поощрение, чтобы приучить крыс к зоне готовности и к входу в восточную и западную области изображения.

Продолжайте обучение до тех пор, пока крыса не начнет чередовать выбор между двумя областями с изображениями. Критически важно обучить крыс сохранять неподвижное исходное положение в зоне старта. Исходное положение позволяет контролировать направление, с которого крыса приближается к целевым изображениям, а также расстояние, с которого она рассматривает предъявляемые изображения.

На промежуточном этапе подайте белый шум интенсивностью 50 децибел, чтобы сигнализировать о начале серии испытаний. Выключите белый шум, когда крыса войдет в зону готовности. Автоматизируйте подачу вознаграждения в виде ICS крысе за вход в зону готовности и за успешное принятие позиций готовности.

Постепенно снизьте вероятность вознаграждения за заход в зону готовности и за успешное принятие позиций готовности до значения от 0 до 10%. Одновременно с этим постепенно увеличивайте время задержки в позиции готовности шагами по 100 миллисекунд, чтобы приучить крысу останавливаться и ждать в этой позиции. На данном этапе обучения важно не перенаграждать крыс за нахождение в позиции готовности, так как чрезмерное обучение приведет к задержке перехода к этапу позднего формирования навыков и отработки специфических правил задачи.

Если крыса преждевременно покидает исходную позицию, включите белый шум. В этом случае крыса должна начать повторный прогон с противоположной стороны арены. Переходите к этапу позднего формирования навыка, когда крыса сможет стабильно удерживать исходную позицию в течение до 1200 milliseconds в каждом прогоне.

Новая продолжительность фазы готовности определяет, сколько времени крыса должна оставаться неподвижной до появления целевых изображений. Обучение на этапе позднего формирования навыка специфично для данной задачи и автоматизировано во всех параметрах задачи. Благодаря возможности вручную подавать вознаграждение в виде ICS при первоначальном обучении в задаче визуальной дискриминации по условию, обучите крыс простой дискриминации формы и яркости.

Начните серию испытаний, включив белый шум. Меняйте требуемую продолжительность пребывания крысы в положении готовности между испытаниями. Если крыса недостаточно стабильно удерживает неподвижное положение готовности, подайте подкрепление в виде ICS.

Вручную предъявите пару изображений в области презентации; случайным образом (псевдослучайно) расположите правильное изображение слева или справа. Подайте подкрепление в виде ICS, когда крыса приблизится к правильному изображению в первый день обучения.

При неправильном ответе в качестве сдерживающего фактора подавайте только короткий всплеск белого шума интенсивностью 75 децибел. После каждой неудачной попытки следует проводить корректирующий пробный запуск. Корректирующие пробы выполняются на противоположной стороне арены.

Используйте ту же сторону (левую или правую) и ту же задержку перед подачей сигнала готовности, что и в предыдущей неудачной попытке. Как только крыса успешно освоит простую дискриминацию яркости, переходите к задаче бикондициональной дискриминации. При неудачных попытках шумовые всплески не подавать.

Для задачи бикодиционной дискриминации правильное изображение определяется узором пола. Например, черная звезда является правильным ответом, когда пол полосатый и представлен белый круг. Когда пол серый, пробы чередуются между восточной и западной сторонами, где предъявляется правильное изображение.

Псевдослучайным образом с левой или правой стороны области изображения внедряйте корректирующие пробы после неправильных ответов. Для задачи на зрительное пространственное внимание предъявляйте серые круги в определенных пространственных локациях. Начинайте пробу с белого шума и выключайте его, когда крыса входит в зону готовности.

После того как крыса удерживает исходную позицию в течение требуемого времени, подсветите целевой круг, окрасив его в белый цвет. Правильные местоположения назначаются псевдослучайным образом. После того как крыса успешно приняла исходную позицию, подсветите целевой круг и подайте награду в виде ICS.

Если крыса подходит к правильному кругу в течение пяти секунд, она получает вознаграждение; если же крыса подходит к другому кругу, вознаграждение не выдается. После этого крыса начинает новое испытание с противоположной стороны арены. Если крыса не подходит ни к одному из кругов в течение пяти секунд, данное испытание фиксируется как пропуск.

Осветите весь пол и изначально не предоставляйте подкрепление. Держите целевой круг освещенным до тех пор, пока крыса не приблизится к нему. По мере обучения постепенно сокращайте время, в течение которого целевой круг остается освещенным.

Когда крыса достигает точности 80%, сократите время освещения целевого круга до одной секунды, не внося никаких других изменений. Когда крыса достигнет 80% правильных ответов при условии освещения в одну секунду, сократите время подачи сигнала до 500 миллисекунд. Первичное формирование навыка обычно требует от 100 до 150 попыток, чтобы крысы начали чередовать перемещения между восточной и западной областями изображения арены.

На ранних этапах формирования навыка крысы обычно пробегают через зону готовности в центре арены и проводят большую часть времени, исследуя её периметр. Для достижения промежуточного этапа формирования навыка крысам требуется от 600 до 700 проб, чтобы стабильно удерживать требуемую стационарную позицию готовности. Их траектории представляют собой стереотипные петли от зоны готовности к зоне изображения.

С сокращением времени, затрачиваемого на исследование периметра арены. К концу этапа промежуточного формирования крысы стабильно сохраняют стационарную позицию готовности в зоне ожидания. Затем, перед приближением к целевому визуальному стимулу, крыса начинает следующее пробное испытание на противоположной стороне арены.

По завершении этапа позднего формирования данные о single unit и локальном полевом потенциале были собраны с помощью системы сбора нейронных данных. В задней коре крыс, выполняющих задачу VBCD, частота разрядов нейронов увеличивалась в момент предъявления целевого стимула и снижалась в момент предъявления паттерна пола. В задней теменной коре крыс, выполняющих задачу VSA, частота разрядов нейронов увеличивалась в ответ на освещение круга.

Когда крыса приближалась к целевому кругу в задаче VSA, в то время как животные находились в положении готовности перед подсветкой круга, активность локального полевого потенциала в задней теменной коре в ходе выполнения задачи VSA демонстрировала высокую мощность в тета-диапазоне на частоте около 8 Hz. Следуя этим протоколам формирования поведения и обучения, можно разработать множество задач для изучения когнитивных функций и зрительного восприятия на моделях грызунов.

Данный метод представляет собой сложную поведенческую парадигму для исследователей в области обучения, памяти и внимания, которая обеспечивает более высокую трансляционную значимость результатов, полученных на моделях грызунов, для человека.