Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Enquête sur les représentations d’objet dans le flux de Visual dorsale Macaque en utilisant des enregistrements unitaires

Published: August 1, 2018 doi: 10.3791/57745
Automatic Translation
1, 1,2, 1
1Laboratorium voor Neuro-en Psychofysiologie, Katholieke Universiteit Leuven, 2The Leuven Brain Institute

Summary

Un protocole détaillé pour analyser la sélectivité objet de pariéto-frontal neurones impliqués dans les transformations visuomotrices est présenté.

Abstract

Des études antérieures ont montré que les neurones dans les régions pariéto-frontal du cerveau macaque peuvent être hautement sélectifs pour des objets réels, définie par l’écart des surfaces courbes et des images d’objets réels (avec et sans disparité) de manière similaire comme décrites dans le flux visuel ventral. Les régions pariéto-frontal sont estime en outre, pour convertir les informations de l’objet visuel en extrants moteurs appropriés, tel que la pré mise en forme de la main au cours de la saisir. Afin de mieux caractériser sélectivité d’objet dans le réseau cortical impliqué dans les transformations visuomoteur, nous fournissons une batterie de tests visant à analyser la sélectivité de l’objet visuel des neurones dans les régions pariéto-frontal.

Introduction

Les primates humains et non-humains partagent la capacité d’effectuer des actions complexes de moteurs y compris objet saisissant. Pour ces tâches avec succès, notre cerveau a besoin compléter la transformation des propriétés de l’objet intrinsèque en commandes de moteur. Cette transformation s’appuie sur un réseau sophistiqué d’aires corticales dorsales, située dans le cortex prémoteur pariétal et ventrale1,2,3 (Figure 1).

D’études de la lésion dans les singes et les humains4,5, nous savons que le flux visuel dorsal - originaires du cortex visuel primaire et orientée vers le cortex pariétal postérieur - est impliqué dans la vision spatiale et de la planification du moteur actions. Cependant, la majorité des zones de flux dorsale n'est pas consacrée à un type unique de traitement. Par exemple, la zone intraparietal antérieure (AIP), une des zones scène de fin dans le flux visuel dorsal, contient une variété de neurones qui le feu non seulement au cours de saisir6,7,8, mais aussi pendant le visuel inspection de l’objet7,8,9,10.

Semblable à l’AIP, neurones dans la zone F5, situé dans le cortex prémoteur ventral (PMv), répondent également au cours de la fixation visuelle et objet saisissant, qui est susceptible d’être important pour la transformation des informations visuelles en actions moteur11. La partie antérieure de cette région (sous-secteur F5a) contient des neurones répond sélectivement à trois dimensions (3D, définie par l’écart) images12,13, tandis que le sous-secteur situé dans la convexité (F5c) contient des neurones caractérisé par miroir propriétés1,3, tir à la fois quand un animal effectue ou observe une action. Enfin, la région postérieure de F5 (F5p) est un domaine lié à main, avec une forte proportion de visuomotrices neurones sensibles à l’observation et la saisie des objets 3D14,15. À côté de F5, superficie 45 b, situé dans la branche inférieure du sillon arqué, peuvent également être impliqués en forme traitement16,17 et préhension18.

Test de sélectivité de l’objet dans le cortex pariétal et frontal est difficile, parce qu’il est difficile de déterminer quelles fonctions ces neurones répondent à et quels sont les champs récepteurs de ces neurones. Par exemple, si un neurone répond à une plaque, mais pas à un cône, qui présentent de ces objets est de conduire cette sélectivité : le contour 2D, la structure 3D, l’orientation en profondeur ou une combinaison de nombreuses caractéristiques différentes ? Pour déterminer les caractéristiques de l’objet critique pour les neurones qui répondent au cours de la fixation de l’objet et la saisie, il est nécessaire de recourir à divers tests visuels, à l’aide d’images d’objets et des versions réduites des mêmes images.

Une fraction non négligeable des neurones de l’AIP et F5 pas ne répond qu’à la présentation visuelle d’un objet, mais aussi lorsque l’animal saisit cet objet dans l’obscurité (c'est-à-dire, en l’absence d’informations visuelles). Ces neurones ne répondent pas à une image d’un objet qui ne peut être saisi. Par conséquent, des composantes visuelles et motrices de la réponse sont intimement liées, ce qui rend difficile d’enquêter sur la représentation d’objet neuronale dans ces régions. Étant donné que les neurones visuomotrices peuvent uniquement être testés avec des objets du monde réel, il faut un système souple pour présentation d’objets différents à différentes positions dans le champ visuel et à des orientations différentes si l'on veut déterminer quelles caractéristiques sont importantes pour ces neurones. Ce dernier n’est possible au moyen d’un robot capable de présenter des objets différents à différents endroits dans l’espace visuel.

Cet article se propose de fournir un guide expérimental pour les chercheurs intéressés par l’étude des neurones pariéto-frontal. Dans les sections suivantes, nous fournirons le protocole général utilisé dans notre laboratoire pour l’analyse des réponses d’objet de préhension et visuelle chez le macaque éveillé (Macaca mulatta).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Toutes les procédures techniques ont été réalisés conformément au Guide de l’Institut National de santé pour le soin et l’Use of Laboratory Animals et la Directive européenne 2010/63/UE et ont été approuvés par le Comité éthique de la KU Leuven.

1. Généralités les méthodes d’enregistrements extracellulaires dans singes éveillés se comporter

  1. Former les animaux pour effectuer les tâches visuelles et motrices requises pour répondre à votre question spécifique de recherche. S’assurer que l’animal est en mesure de passer avec souplesse entre les tâches au cours de la même session d’enregistrement afin de tester le neurone intensivement et acquérir une meilleure compréhension des caractéristiques de conduite la réponse neuronale (Figure 2-3).
    1. Former l’animal en Visually-Guided saisir (Rawi ; saisir « à la lumière ») pour évaluer les composants visuomoteur de la réponse. Remarque : indépendamment de la tâche choisie, peu à peu restreindre l’apport liquidien au moins trois jours avant le début de la phase de formation.
      1. Retenir le tête de singe pendant toute la durée de la session expérimentale.
      2. Dans les premières séances, tenir la main controlatérale à la chambre d’enregistrement à la position de repos et aider l’animal pour atteindre et saisir l’objet, donnant la récompense manuelle après chaque tentative.
      3. Introduire à nouveau main de singe sur la position de repos à la fin de chaque essai.
      4. Chaque peu d’essais, relâcher la main du singe et attendez quelques secondes pour observer si l’animal initie le mouvement spontanément.
      5. Appliquer manuel récompense chaque fois que le singe tend vers l’objet.
      6. Lors de la phase pour atteindre est acquis correctement, aider l’animal à lever (ou tirer) l’objet et la récompense manuellement.
      7. Comme 1.1.1.4 et 1.1.1.5, relâchez la main de singe et attendez quelques secondes pour observer si l’animal initie le mouvement spontanément. Donner la récompense chaque fois que le mouvement est exécuté correctement.
      8. Corriger la réalisation, position et orientation du poignet comme autant de fois que nécessaire au cours de la procédure à la main.
      9. Répétez les étapes ci-dessus jusqu'à ce que l’animal effectue la séquence automatiquement.
      10. Charger la tâche automatique. L’animal est automatiquement récompensé lorsqu’il exécute les mouvements de reach et de saisir pour un temps prédéterminé.
      11. Augmentez graduellement le temps de retenue de l’objet.
      12. Introduire le laser qui projette le point de fixation à la base de l’objet. Ajouter ensuite le traqueur d’oeil pour surveiller la position de le œil autour de l’objet-à-être-compris.
    2. Le train de l’animal en saisissant de Memory-Guided (MGG) d’enquêter sur l’élément moteur de la réponse, ne pas affectée par la composante visuelle du stimulus.
      1. Empêcher la tête de singe.
      2. Suivez les mêmes étapes décrites pour le Jacob en s’assurant que l’animal conserve la fixation sur le laser au cours de la tâche dans une fenêtre définie par voie électronique. Pour cette version de la tâche, la lumière s’éteint à la fin de la période de fixation.
    3. Former le singe dans la Fixation du passif pour régler la sensibilité visuelle et la sélectivité de la forme.
      1. Empêcher la tête de singe.
      2. Présenter les stimuli visuels au singe en utilisant un écran CRT (fixation Passive des stimuli 3D) ou un moniteur LCD (Fixation Passive des stimuli 2D).
      3. Présenter un point de fixation au centre de l’écran, en surimpression sur les stimuli visuels.
      4. Récompenser l’animal après chaque présentation du stimulus et augmenter progressivement la durée de fixation jusqu'à atteindre les normes de la tâche.
  2. Opérer, à l’aide des robes, des tentures et des outils stériles.
    1. Anesthésier l’animal avec la kétamine (15 mg/kg, intramusculaire) et du chlorhydrate de la médétomidine (0,01 à 0,04 mL/kg par voie intramusculaire) et confirmer l’anesthésie régulièrement en vérifiant la réponse de l’animal à des stimuli, fréquence cardiaque, fréquence respiratoire et le sang pression.
    2. Maintenir l’anesthésie générale (propofol 10 mg/kg/h par voie intraveineuse) et administrer de l’oxygène avec un tube trachéal. Un onguent à base lanolim permet de prévenir le dessèchement des yeux sous anesthésie.
    3. Fournir une analgésie à l’aide de 0,5 cc de la buprénorphine (0,3 mg/ml par voie intraveineuse). En cas d’augmentation de la fréquence cardiaque pendant l’intervention, une dose supplémentaire peut être administrée.
    4. Implanter un poste de chef MRI compatible avec vis en céramique et acrylique dentaire. Effectuer toutes les chirurgies de survie dans des conditions aseptiques strictes. Pour un entretien adéquat du champ stérile, utiliser des gants stériles jetables, masques et instruments stériles.
    5. Guidé anatomique imagerie par résonance magnétique (IRM ; Coordonnées Horsley-Clark), faire une craniotomie au-dessus de la zone d’intérêt et la chambre d’enregistrement sur le crâne de singe de l’implant. Utiliser une chambre d’enregistrement normalisé des enregistrements extracellulaires de logement unique ou une microdrive multi-électrodes, pour l’enregistrement simultané de plusieurs neurones.
    6. Après la chirurgie, cesser l’administration intraveineuse de propofol jusqu’au curriculum vitae de respiration spontanée. Ne pas laisser l’animal sans surveillance jusqu'à ce qu’il a repris connaissance et introduire l’animal dans le groupe social qu’après guérison complète.
    7. Fournir une analgésie post-opératoire tel que recommandé par le vétérinaire institutionnel ; Utilisez par exemple Meloxicam (5mg/ml par voie intramusculaire).
    8. Attendre 6 semaines après la chirurgie avant de commencer l’expérience. Cela permet un meilleur ancrage du poste tête au crâne et garantit que l’animal s’est complètement remis de l’intervention.
  3. Localiser la zone d’enregistrement à l’aide de l’IRM (pour des enregistrements extracellulaires de logement unique) et la tomographie par ordinateur (CT ; pour enregistrements multiélectrodes).
    1. Remplir des capillaires en verre avec une solution de sulfate de cuivre 2 % et insérez-les dans une grille d’enregistrement.
    2. Effectuer MRI structurel (tranche épaisseur : 0,6 mm).
  4. Surveillance de l’activité neurale.
    1. Utiliser des microélectrodes tungstène avec une impédance de 0,8 à 1 MΩ.
    2. Insérer l’électrode à travers la dure-mère à l’aide d’un tube de guidage en acier inoxydable 23G et une microdrive hydraulique.
    3. La discrimination de spike, amplifient et filtrent l’activité neuronale entre 300 et 5 000 Hz.
    4. Pour locaux potentiels (LFP) des enregistrements, amplifier et filtrer le signal entre 1 et 170 Hz.
  5. Contrôler le signal de l’oeil
    1. Ajuster une caméra infrarouge devant les yeux de l’animal afin d’obtenir une image adéquate de la pupille et du réflexe cornéen.
    2. Utiliser une caméra à infrarouges pour échantillonner la position de la pupille à 500 Hz.

2. étudier la sélectivité d’objet dans les zones dorsales

  1. Effectuez visuellement guidée préhension (Jacob).
    1. Choisir la bonne préhension installation selon l’objectif de la recherche : programme d’installation carrousel ou robot (Figure 3).
    2. Pour la configuration de carrousel, exécuter la tâche de Jacob :
      1. Laissez le singe à placer la main controlatérale à l’hémisphère enregistré dans sa position repos dans l’obscurité complète pour lancer la séquence.
      2. Après un temps variable (épreuves intervalle : 2 000-3 000 ms), appliquer un laser rouge (point de fixation) à la base de l’objet (distance : 28 cm des yeux les singes). Si l’animal maintient son regard dans une fenêtre de fixation définie par voie électronique (+/-2,5 °) pour 500 ms, éclairer l’objet par le haut avec une source lumineuse.
      3. Après un délai variable (ms 300-1500), programmer une gradation du laser (repère visuel de GO) chargeant le singe de lever la main de la position de repos et portée, saisir et tenir l’objet pendant un intervalle variable (temps de maintien : 300-900 ms).
      4. Quand l’animal exécute la séquence entière correctement, il récompense avec une goutte de jus.
    3. Utiliser une séquence de tâches similaires pour l’installation du robot.
      1. En ce qui concerne l’installation de carrousel, laissez le singe placer la main controlatérale à l’hémisphère enregistré dans sa position repos dans l’obscurité complète pour lancer la séquence.
      2. Après un temps variable (épreuves intervalle : 2 000-3 000 ms), allume la LED (point de fixation) sur l’objet (de l’intérieur ; distance : 28 cm des yeux les singes). Encore une fois, si l’animal maintient son regard dans une fenêtre de fixation définie par voie électronique (+/-2,5 °) pour 500 ms, éclairer l’objet depuis avec une source de lumière blanche.
      3. Après un délai variable (ms 300-1500), éteindre la LED (repère visuel de GO), enjoignant le singe de lever la main de la position de repos et portée, saisir et tenir l’objet pendant un intervalle variable (temps de maintien : 300-900 ms).
      4. Quand l’animal exécute la séquence entière correctement, il récompense avec une goutte de jus.
    4. Au cours de la tâche, quantifier les performances du singe, accordant une attention particulière pour le moment. Mesure les deux que le temps écoulé entre le signal go et le début du mouvement de main (temps de réaction), ainsi qu’entre le début du mouvement et de la levée de l’objet (saisir le temps).
  2. Effectuer le guidage mémoire préhension (MGG ; « Saisir dans le noir »). Utilisez la tâche MGG pour déterminer si les neurones sont visuomotrices ou moteur-dominante.
    Remarque : La séquence est semblable à celle décrite pour le Rawi, mais l’objet est saisi dans l’obscurité totale.
    1. Identique à la tâche de Rawi, laissez le singe placer la main controlatérale à l’hémisphère enregistré dans sa position repos dans l’obscurité complète pour lancer la séquence.
    2. Après un temps variable (épreuves intervalle : 2 000-3 000 ms), appliquer une laser/LED rouge (point de fixation) pour indiquer le point de fixation (à la base de l’objet pour la configuration du carrousel, au centre de l’objet pour la configuration de robot ; distance : 28 cm des yeux les singes) . Si l’animal maintient son regard dans une fenêtre de fixation définie par voie électronique (+/-2,5 °) pour 500 ms, éclairer l’objet.
    3. Après un temps fixe (400 ms), éteindre la lumière.
    4. Après un délai variable (300-1500 ms) après lumière compensée, dim/éteindre le point de fixation (aller CUE) d’instruire le singe de lever la main et la portée, la portée et l’objet (temps de maintien : 300-900 ms).
    5. Quand l’animal exécute la séquence entière correctement, donner une goutte de jus comme une récompense.
  3. Effectuer la fixation Passive. En ce qui concerne la tâche de Rawi, choisir la meilleure installation (carrousel ou robot) selon l’objectif de la recherche.
    Remarque : Les deux fixation passive différentes tâches peuvent être effectuées : fixation passive des objets réels (en utilisant les objets-à-être-compris dans les configurations carrousel et robot) et passive fixation d’images 3D/2D d’objets.
    1. Effectuer la fixation passive des objets réels.
      1. Présenter le point de fixation (laser rouge pour la configuration de carrousel prévu à la base de l’objet et la LED rouge dans la configuration de robot).
      2. Si l’animal maintient son regard dans une fenêtre de fixation définie par voie électronique (+/-2,5 °) pour 500 ms, éclairer l’objet pour 2 000 ms.
      3. Si l’animal conserve son regard dans la fenêtre pour 1 000 ms, il récompense avec une goutte de jus.
    2. Effectuer la fixation passive des images 3D/2D d’objets.
      1. Présenter tous les stimuli visuels sur fond noir (luminance de 8 cd/m2) à l’aide d’un moniteur (résolution de 1 280 × 1 024 pixels) équipé d’un décroissance rapide P46-phosphore et fonctionnant à 120 Hz (distance de visibilité : 86 cm).
      2. Les tests 3D, présente les stimuli en stéréoscopie en alternant les images de l’oeil gauche et à droite sur un écran (moniteur CRT), en combinaison avec deux volets des cristaux liquides ferroélectriques. Localiser ces volets devant les yeux du singe, fonctionner à 60 Hz et se synchroniser avec le retracer verticale de l’écran.
      3. Lancer l’essai en présentant un petit carré dans le centre de l’écran (point de fixation ; 0,2 × 0,2 °). Si la position de le œil reste dans une fenêtre carrée électroniquement définis 1° (beaucoup plus petite que pour les objets réels) au moins 500 ms, présenter le stimulus visuel sur l’écran, pour un temps total de 500 ms.
      4. Quand le singe maintient une fixation stable jusqu'à l’offset de la stimulation, le récompenser avec une goutte de jus.
      5. Pour une étude adéquate de la sélectivité de la forme, exécuter une batterie complète de tests avec des images 2D au cours de la tâche de fixation passive, dans l’ordre suivant.
      6. Exécutez un test de recherche. Tester la sélectivité visuelle de la cellule à l’aide d’un large ensemble d’images (images de surface ; Figure 4 a), y compris les photos de l’objet qui est compris dans le Rawi. Pour cela et toutes les tâches visuelles ultérieures, comparer l’image évoquant la réponse plus forte (appelée « image préférée ») à une seconde image auquel le neurone répond faiblement (appelé « image non »). Si le neurone l’étude répond également à des images d’objets, de rechercher des composants de stimulation spécifique conduite la réactivité de la cellule (essais de Contour, essai sur le terrain réceptif et réduction).
      7. Exécutez un test de Contour. Depuis les images originales de surface d’objets réels (les images 2D ou 3D contenant la texture, l’ombrage et perspective), obtenir des versions simplifiées progressivement de la même forme de stimulation (les silhouettes et les contours ; Figure 4 b). Recueillir au moins 10 essais par condition afin de déterminer si le neurone préfère la surface initiale, la silhouette ou le contour de la forme originale.
      8. Exécutez un test de champ réceptif (RF). Pour mapper la RF d’un neurone, présenter les images d’objets à des endroits différents sur un écran (dans cette expérience, 35 postes ; taille de la relance du 3°), couvrant le champ visuel central19,20. Pour collecter suffisamment répétitions de stimulus à toutes les positions possibles dans un délai raisonnable, réduire la durée de la stimulation (stimuli flashé ; durée de l’impulsion : 300 ms, épreuves intervalle : 300 ms).
      9. Exécutez un test de réduction. Exécutez un test de réduction avec contours fragments présentés au centre de la Fédération de Russie pour identifier la fonction Minimum de la forme apparente (MESF). Générer l’ensemble des stimuli dans Photoshop par recadrage le contour de chacune des formes contours originales le long des principaux axes (Figure 3 b). Concevoir le MESF comme le plus petit fragment de forme évoquant une réponse qui est au moins 70 % de la réponse de contour intact et pas significativement plus petit que celui de la réponse8.
      10. Pour une meilleure estimation de la dépendance (l’effet de la position de stimulation sur la sélectivité du fragment) de la position, exécuter deux tests différents. Exécutez un Test de réduction avec les fragments situés à la position occupée dans le contour original. Exécutez un Test de réduction avec les fragments à centre de gravité de la forme.
      11. À ce stade, exécutez un nouveau mappage de RF à l’aide de la MESF.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figure 5 parcelles les réponses d’un neurone exemple enregistré de domaine F5p testé avec quatre objets : deux différentes formes - une sphère et une plaque-montré dans deux tailles différentes (6 et 3 cm). Ce neurone particulier répond non seulement à la grande sphère (stimulation optimale, panneau gauche supérieur), mais aussi à la grande assiette (panneau inférieur gauche). En comparaison, la réponse aux plus petits objets a été plus faible (supérieure et inférieure droite panneaux).

La figure 6 montre un neurone exemple enregistré dans l’AIP testé durant Rawi et fixation passive. Ce neurone n’était pas recevable que pendant la préhension (tâche Rawi, panneau A) mais aussi à la présentation visuelle des images 2D des objets présentés sur un écran (fixation passive, y compris l’image des objets utilisés dans la tâche de préhension ; Figure 6 b). Notez que le stimulus préféré dans la tâche de fixation passive n’est pas nécessairement l’objet-à-être-compris, mais une autre image 2D avec laquelle l’animal n’a aucune expérience de préhension (mandarine). La figure 6 montre la RF de cette cellule lors d’un essai avec l’image préférée et non. Un exemple des réponses obtenues lors de l’essai de réduction est illustré à la Figure 6. Ce neurone exemple a répondu aux plus petits fragments dans le test (1 à 1,5 °).

Figure 1
Figure 1. Pariéto-frontale réseau impliqué dans la transformation de l’objet visuel et moteur de planification et de l’exécution. Projets d’AIP aire pariétale postérieure aux zones PFG, 45 b et F5a et puis à F5p, M1 et, enfin, à la moelle épinière.

Figure 2
Figure 2. Arbre de décision pour le test de sélectivité de l’objet : protocole expérimental utilisé pour tester les réponses visuomotrices dans nos populations neuronales. La tâche de Jacob peut être suivie par un MGG ou une tâche visuelle (fixation passive). Deux tâches différentes de fixation passive peuvent être considérés selon la région d’intérêt : fixation passive des objets du monde réel et fixation passive d’images 2D d’objets. Le système visuomoteur primate a évolué pour prendre en charge la manipulation d’objets réels, pas les images des objets6,13 , et par conséquent, il est prédit que ces régions ayant une composante dominante moteur sera significativement plus sensible à la vision d’objets réels, saisissables. Cependant, sélectivité de forme peut seulement être explorée en détail à l’aide d’une approche de réduction, qui peut être mises en œuvre plus facilement avec les images des objets. Dans la tâche de fixation passive 2D, une réponse positive (indiquant une sélectivité visuelle aux images des objets) signifie qu’il est possible d’affiner la réponse neuronale encore plus loin. Cela nous amène à exécuter une nouvelle tâche expérimentale explore les caractéristiques du niveau inférieur dans le stimulus. En revanche, une réponse négative indique la fin de l’expérience.

Figure 3
Figure 3. Configurations visuomotrices. A. installation de carrousel. Panneau de gauche : conception carrousel (invisible au singe). Panneau de droite : le détail de la plaque de carrousel montrant l’objet à être saisi et la main de singe approchant. Avec un carrousel vertical contenant jusqu'à six objets, nous pouvons présenter différents objets au singe. B. configuration du Robot. Panneau de gauche : vue de l’installation du robot avant. Panneau de droite : le détail des quatre différents objets présentés par le robot (petite/grande assiette ; petite/grande sphère). Un deuxième et plus sophistiquées présentent les objets durant les enregistrements unicellulaires consiste au moyen d’un bras de robot commercial équipé d’une pince. Pour A et B, la séquence d’événements sont identique au cours de la fixation visuelle, à l’exception que dans la configuration du carrousel, l’objet est éclairé par le haut et dans la configuration de robot, l’objet est éclairé de l’intérieur. Dans la phase d’emprise, la tâche est légèrement différente. Considérant que dans la configuration du carrousel, la file d’attente aller est précisée par l’occultation du laser ; dans la configuration de robot, la fixation de la LED s’éteint complètement. Une autre différence se rapporte à la fonctionnalité spécifique de ces deux configurations différentes. Alors que le programme d’installation du carrousel peut être principalement utilisé pour évaluer la sélectivité d’objet à une position unique dans l’espace visuel, avec l’installation de robot, on peut programmer la distance à laquelle l’objet to-be-saisi est présenté, la position dans le plan de frontoparallel, ou même induire perturbations dans l’orientation de l’objet au cours de la saisie (par exemple, une rotation rapide à 45 ° de l’objet au cours de la phase pour atteindre). Les deux systèmes permettent la présentation d’objets de différentes cibles avec préhension des propriétés différentes (taille, volume, etc.), nécessitant des différentes stratégies de préhension (poignée d’alimentation par rapport à la poignée de précision). C. exemple d’une tâche de Jacob (configuration du carrousel). 1. fixation : Dans notre tâche de Rawi carrousel, le singe pose sa main controlatérale sur un dispositif de position repos pour lancer la séquence. Ensuite, un laser est projeté sur l’objet-à-être-saisi, qui reste dans l’obscurité totale. 2. lumière sur : si l’animal maintient une fixation stable autour d’une fenêtre définie par voie électronique qui entoure l’objet pour une durée déterminée, l’objet est éclairé par une source de lumière externe (phase visuelle de la tâche). Enfin, après un délai variable, le laser s’estompe, travaillant comme un repère visuel de GO et indiquant au singe pour initier le mouvement de préhension. L’animal est récompensé pour atteindre, en saisissant et en soulevant l’objet (détecté par des câbles de fibre optique).

Figure 4
Figure 4. Stimuli visuels. (A). exemple de l’ensemble de stimulation utilisée pour évaluer la sélectivité de la forme visuelle. B. des images originales de surface a, nous produisons des versions simplifiées progressivement des stimuli visuels (surfaces 3D, surfaces 2D, silhouettes, contours et fragments). En divisant le contour en segments plus petits, nous cherchons pour la fonction Minimum de la forme efficace (MESF), évoquant la sélectivité visuelle.

Figure 5
Figure 5. Tâche de Rawi testé avec l’installation du robot (installation de robot en Figure 3 b). Nous avons présenté quatre objets différents à la même position en profondeur : Grande sphère (en haut à gauche), grande assiette (en bas à gauche), petite plaque (en bas à droite) et petite sphère (en haut à droite). La réponse neuronale est alignée sur l’apparition de lumière dans l’objet (taille bin de 20 ms).

Figure 6
Figure 6. Neurone AIP enregistrées à l’aide de Jacob (saisir sur le carrousel) et tâches de fixation passive. (A). l’activité au cours de la saisir. Péri-stimulus-temps histogramme montrant la réponse d’un neurone AIP (réponse neuronale aligné et l’apparition de lumière sur l’objet). B. réponse visuelle du neurone même lorsqu’il est testé avec un large ensemble d’images 2D d’objets réels, y compris une image de l’objet à être saisi (dans deux orientations différentes : horizontal ou vertical). C. mappage de champ réceptif. 2D interpolées cartes représentant la réponse moyenne aux stimuli (à droite) préférés (à gauche) et non pour le neurone à A et B lorsqu’il est testé avec des images de 3° d’objets. Pour construire les cartes, nous avons mesuré la réponse neuronale nette (en soustrayant l’activité basale) obtenu à 35 positions différentes sur l’écran (indiqué par les intersections du quadrillage en pointillés ; [0,0] : position centrale ; azimut de + 6 ° : controlatéral), espacées de 2 ° dehors et couvrant les ipsi - et controlatéral visual hemifields. La couleur indique l’intensité de la réponse neuronale (variant entre 0 et la réponse maximale de la cellule). D. terrain d’arbre couleur représentant les réponses nets normalisés (tir de taux moins activité basale) du même neurone comme dans la Figure 6 a-C au stimulus préféré et non (contours de l’image préférée et non) dans le test de réduction standard (test de réduction avec les fragments situé à la position occupée à la forme originale de contour 4-fragment des stimuli, première ligne 8-fragment des stimuli, 2ème rang ; 16-fragment des stimuli, troisième rangée). La couleur de chaque cercle indique l’ampleur de la réponse (1 = 28 pointes/s).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Une approche globale de l’étude du flux de données dorsale nécessite une sélection rigoureuse des tâches comportementales et tests visuels : paradigmes visuels et préhension peuvent être employées ensemble ou séparément selon les propriétés spécifiques de la région.

Dans cet article, nous fournissons les exemples de l’activité neuronale enregistrée aux formats AIP et F5p en réponse à un sous-ensemble de tâches visuelles et motrices, mais des réponses très similaires peuvent être observés dans d’autres zones frontales comme zone 45 b et F5a.

Nous vous proposons deux configurations expérimentales pour étudier la représentation neuronale des objets au cours de la saisir. Avec un vertical carrousel (Figure 3 a) contenant jusqu'à six objets, nous pouvons présenter différents objets au singe. Le carrousel permet la présentation d’objets de différentes cibles (différant par la forme, taille, volume, etc.), nécessitant des différentes stratégies de préhension (poignée d’alimentation par rapport à la poignée de précision).

Une deuxième et plus sophistiquées présentent des objets durant les enregistrements unicellulaires consiste au moyen d’un bras de robot commercial et de la pince (Figure 3 b). Dans ce cas, le robot lance le procès de saisir un objet (Figure 3 b) et en le déplaçant d’une position spécifique dans l’espace dans l’obscurité totale, tandis que la main de singe reste sur la position de repos. En outre, la séquence des événements est identique dans les deux configurations. Cependant, l’utilisation d’un robot permet une vaste manipulation des paramètres expérimentaux (distance à laquelle l’objet est présenté, position dans le plan de frontoparallel, ou l’orientation de l’objet). Enfin, comme indiqué dans la partie droite de la Figure 3 b, le robot peut être programmé pour saisir des objets différents (plaque et sphère dans notre cas).

Cette approche expérimentale permet de déterminer les caractéristiques de l’objet conduite visuomotrices neurones qui répondent à l’observation d’objet au cours de la saisir. Cependant, cette approche a aussi des limites. Avec tous les tests, certains neurones seront exclus des essais supplémentaires (par exemple, aucune réponse aux images des objets, aucune sélectivité contour), de sorte que les conclusions de l’expérience peuvent se rapportent uniquement à un sous-ensemble de tous les neurones montrant liés aux tâches activité au cours de la saisir. Cependant, dans notre précédent études8, la grande majorité (83 %) des neurones montrant des réponses visuelles à l’observation d’objet pendant la préhension répondaient également sélectivement aux images des objets, et la grande majorité des neurones ce dernier (90 %) ont été aussi sélective pour les versions contours de ces images. Par conséquent, notre protocole d’essai peut être approprié pour une fraction très importante de tous les neurones visuellement sensibles dans le cortex pariétal et frontal.

Certains neurones visuomoteur, probables en plusieurs sous-secteurs axés sur le moteur dans le cortex frontal comme zone F5p, peuvent seulement répondre aux objets dans le contexte d’une tâche saisir et ne répondez jamais aux images des objets (même avec la disparité binoculaire) présentés sur un afficher. Nous pouvons néanmoins étudier les propriétés de cette sous-population de neurones en utilisant le robot. Avec ce dispositif expérimental, nous pouvons présenter les objets à des endroits différents dans le plan de frontoparallel durant la fixation passive (analogue à un test RF), à différentes orientations 3D et à différentes distances de l’animal, et nous pouvons combiner par saccades des yeux mouvements vers l’objet avec l’objet saisissant21.

Notre intention n’est ne pas de fournir un protocole expérimental simple ou rigide pour l’étude des neurones pariéto-frontale, mais pour souligner la nécessité d’une approche globale et dynamique, aux tâches et aux essais spécialement conçus pour les neurones à l’étude. Au sujet de sélectivité visuelle, par exemple, notre protocole peut être facilement adapté pour l’étude des autres propriétés visuelles des neurones répondant aux objets. Par exemple, nous avons suivi une approche très similaire lors d’enquêtes sur la sélectivité 3D F5a12 et AIP neurones13 au cours de la saisir. Nous avons combiné également l’exécution de préhension et visual tests détaillés avec des vidéos d’actions lors d’enquêtes sur les réponses d’observation action l’AIP22. De la même façon, beaucoup d’autres tâches expérimentales, ne pas inclus ici, peut être aussi ajouté à notre protocole en fonction de la question scientifique qui se pose. Ces tâches comprennent l’étude de ces deux caractéristiques purement physiques du stimulus (p. ex. taille de stimulation) et des aspects cognitifs comme stimulus familiarité23 ou biologiques pertinentes (préférence pour les formes qui sont biologiquement pertinente comme faces24).

D’autres études dans ces domaines permettent une meilleure compréhension du réseau et nous permettra d’affiner le type des protocoles à utiliser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Nous remercions Inez Puttemans, Marc De Paep, Sara De Pril, Wouter Depuydt, Astrid Hermans, Piet Kayenbergh, Gerrit Meulemans, Christophe Ulens et Stijn Verstraeten pour assistance technique et administrative.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Grasping robot GIBAS Universal Robots UR-6-85-5-A Robot arm equipped with a gripper
Carousel motor Siboni RD066/†20 MV6, 35x23 F02 Motor to be implemented in a custom-made vertical carousel. It allows the rotation of the carousel.
Eye tracker SR Research EyeLink II Infrared camera system sampling at 500 Hz
Filter Wavetek Rockland 852 Electronic filters perform a variety of signal-processing functions with the purpose of removing a signal's unwanted frequency components.
Preamplifier BAK ELECTRONICS, INC. A-1 The Model A-1 allows to reduce input capacity and noise pickup and allows to test impedance for metal micro-electrodes
Electrodes FHC UEWLEESE*N4G Metal microelectrodes (* = Impedance, to be chosen by the researcher)
CRT monitor Vision Research Graphics M21L-67S01 The CRT monitor is equipped with a fast-decay P46-phosphor operating at 120 Hz
Ferroelectric liquid crystal shutters Display Tech FLC Shutter Panel; LV2500P-OEM The shutters operate at 60 Hz in front of the monkeys and are synchronized to the vertical retrace of the monitor

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Gallese, V., Fadiga, L., Fogassi, L., Rizzolatti, G. Action recognition in the premotor cortex. Brain. 119 (2), 593-609 (1996).
  2. Fogassi, L., Gallese, V., Buccino, G., Craighero, L., Fadiga, L., Rizzolatti, G. Cortical mechanism for the visual guidance of hand grasping movements in the monkey: a reversible inactivation study. Brain. 124 (3), 571-586 (2001).
  3. Rizzolatti, G., Camarda, R., Fogassi, L., Gentilucci, M., Luppino, G., Matelli, M. Functional organization of inferior area 6 in the macaque monkey. II. Area F5 and the control of distal movements. Exp. Brain Res. 71 (3), 491-507 (1988).
  4. Mishkin, M., Ungerleider, L. G. Contribution of striate inputs to the visuospatial functions of parieto-preoccipital cortex in monkeys. Behav. Brain Res. 6 (1), 57-77 (1982).
  5. Goodale, M. A., Milner, A. D. Separate visual pathways for perception and action. Trends Neurosci. 15 (1), 20-25 (1992).
  6. Baumann, M. A., Fluet, M. C., Scherberger, H. Context-specific grasp movement representation in the macaque anterior intraparietal area. J. Neurosci. 29 (20), 6436-6438 (2009).
  7. Murata, A., Gallese, V., Luppino, G., Kaseda, M., Sakata, H. Selectivity for the shape, size, and orientation of objects for grasping neurons of monkey parietal area AIP. J. Neurophysiol. 83 (5), 2580-2601 (2000).
  8. Romero, M. C., Pani, P., Janssen, P. Coding of shape features in the macaque anterior intraparietal area. J. Neurosci. 34 (11), 4006-4021 (2014).
  9. Sakata, H., Taira, M., Kusonoki, M., Murata, A., Tanaka, Y., Tsutsui, K. Neural coding of 3D features of objects for hand action in the parietal cortex of the monkey. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 353 (1373), 1363-1373 (1998).
  10. Taira, M., Mine, S., Georgopoulos, A. P., Murata, A., Sakata, H. Parietal cortex neurons of the monkey related to the visual guidance of the hand movement. Exp Brain Res. 83 (1), 29-36 (1990).
  11. Janssen, P., Scherberger, H. Visual guidance in control of grasping. Annu. Rev. Neurosci. 8 (38), 69-86 (2015).
  12. Theys, T., Pani, P., van Loon, J., Goffin, J., Janssen, P. Selectivity for three-dimensional contours and surfaces in the anterior intraparietal area. J. Neurophysiol. 107 (3), 995-1008 (2012).
  13. Goffin, J., Janssen, P. Three-dimensional shape coding in grasping circuits: a comparison between the anterior intraparietal area and ventral premotor area F5a. J. Cogn. Neurosci. 25 (3), 352-364 (2013).
  14. Raos, V., Umiltá, M. A., Murata, A., Fogassi, L., Gallese, V. Functional properties of grasping-related neurons in the ventral premotor area F5 of the macaque monkey. J. Neurophysiol. 95 (2), 709-729 (2006).
  15. Umilta, M. A., Brochier, T., Spinks, R. L., Lemon, R. N. Simultaneous recording of macaque premotor and primary motor cortex neuronal populations reveals different functional contributions to visuomotor grasp. J. Neurophysiol. 98 (1), 488-501 (2007).
  16. Denys, K., et al. The processing of visual shape in the cerebral cortex of human and nonhuman primates: a functional magnetic resonance imaging study. J. Neurosci. 24 (10), 2551-2565 (2004).
  17. Theys, T., Pani, P., van Loon, J., Goffin, J., Janssen, P. Selectivity for three-dimensional shape and grasping-related activity in the macaque ventral premotor cortex. J.Neurosci. 32 (35), 12038-12050 (2012).
  18. Nelissen, K., Luppino, G., Vanduffel, W., Rizzolatti, G., Orban, G. A. Observing others: multiple action representation in the frontal lobe. Science. 310 (5746), 332-336 (2005).
  19. Janssen, P., Srivastava, S., Ombelet, S., Orban, G. A. Coding of shape and position in macaque lateral intraparietal area. J. Neurosci. 28 (26), 6679-6690 (2008).
  20. Romero, M. C., Janssen, P. Receptive field properties of neurons in the macaque anterior intraparietal area. J. Neurophysiol. 115 (3), 1542-1555 (2016).
  21. Decramer, T., Premereur, E., Theys, T., Janssen, P. Multi-electrode recordings in the macaque frontal cortex reveal common processing of eye-, arm- and hand movements. Program No. 495.15/GG14. Neuroscience Meeting Planner. , Washington DC: Society for Neuroscience. Online (2017).
  22. Pani, P., Theys, T., Romero, M. C., Janssen, P. Grasping execution and grasping observation activity of single neurons in macaque anterior intraparietal area. J. Cogn. Neurosci. 26 (10), 2342-2355 (2014).
  23. Turriziani, P., Smirni, D., Oliveri, M., Semenza, C., Cipolotti, L. The role of the prefrontal cortex in familiarity and recollection processes during verbal and non-verbal recognition memory. Neuroimage. 52 (1), 469-480 (2008).
  24. Tsao, D. Y., Schweers, N., Moeller, S., Freiwald, W. A. Patches of faces-selective cortex in the macaque frontal lobe. Nat. Neurosci. 11 (8), 877-879 (2008).

Tags

Neurosciences numéro 138 forme flux visuel dorsale macaque saisissant fixation champ réceptif enregistrement unicellulaire
Enquête sur les représentations d’objet dans le flux de Visual dorsale Macaque en utilisant des enregistrements unitaires
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Caprara, I., Janssen, P., Romero, M. … More

Caprara, I., Janssen, P., Romero, M. C. Investigating Object Representations in the Macaque Dorsal Visual Stream Using Single-unit Recordings. J. Vis. Exp. (138), e57745, doi:10.3791/57745 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter