Summary
Een gedetailleerd protocol om te analyseren object selectiviteit van parieto-frontale neuronen die betrokken zijn bij visuomotor transformaties wordt gepresenteerd.
Abstract
Eerdere studies hebben aangetoond dat neuronen in parieto-frontale gebieden van de hersenen makaak zeer selectief voor levensechte objecten, ongelijkheid gedefinieerde gebogen oppervlakken en beelden van reële objecten (met en zonder verschil), op een vergelijkbare manier als kunnen beschreven in de ventrale visuele stroom. Daarnaast worden parieto-frontale gebieden verondersteld te converteren van visuele objectinformatie in passende motor uitgangen, zoals de vooraf vormgeving van de hand tijdens het grijpen. Beter karakteriseren object selectiviteit in de corticale netwerk die betrokken zijn bij visuomotor transformaties, bieden wij een batterij van tests die bestemd zijn voor het analyseren van de visueel object selectiviteit van neuronen in parieto-frontale regio's.
Introduction
Menselijke en niet-menselijke primaten delen de capaciteit van het uitvoeren van complexe motorische acties waaronder object grijpen. Met succes uitvoeren van deze taken, moet onze hersenen de omvorming van intrinsieke objecteigenschappen in motor opdrachten uitvoeren. Deze transformatie is afhankelijk van een geavanceerde netwerk van dorsale corticale gebieden gelegen in pariëtale en ventrale premotor cortex1,2,3 (Figuur 1).
Uit de studies van de laesie bij apen en mensen4,5weten we dat de dorsale visuele stream - van oorsprong uit primaire visuele cortex en gericht op posterieure pariëtale cortex - is betrokken bij zowel ruimtelijke visie en de planning van de motor acties. Het merendeel van de dorsale stream gebieden zijn echter niet gewijd aan een uniek type van verwerking. Bijvoorbeeld, bevat het voorste intraparietal gebied (AIP), één van de eind fase gebieden in de dorsale visuele stroom, een verscheidenheid van neuronen die niet alleen tijdens het grijpen van6,7,8, maar ook tijdens het visuele brand inspectie van het object7,8,9,10.
Gelijkaardig aan AIP, neuronen in gebied F5, gelegen in de ventrale premotor cortex (PMv), reageren ook tijdens visuele fixatie en object grijpen, die dreigt als belangrijk voor de transformatie van visuele informatie in motor acties11. Het voorste gedeelte van dit gebied (subsector F5a) bevat neuronen selectief reageren op driedimensionale (3D, ongelijkheid gedefinieerde) beelden12,13, terwijl de subsector gelegen in de convexiteit (F5c) neuronen bevat gekenmerkt door spiegel eigenschappen1,3, afvuren, zowel wanneer een dier voert of merkt op een actie. Ten slotte, de achterste F5-regio (F5p) is een hand-gerelateerde veld, met een groot aantal visuomotor neuronen reageren op zowel observatie en het grijpen van 3D-objecten14,15. Naast F5, gebied 45B, gelegen in de inferieure ramus van de Fasciculus Sulcus (hersenanatomie), kan ook worden betrokken bij zowel vorm verwerking16,17 en grijpen18.
Testen van object selectiviteit in de pariëtale en frontale cortex is uitdagend, want het is moeilijk om te bepalen welke functies deze neuronen reageren op en wat de Receptieve velden van deze neuronen. Bijvoorbeeld, als een neuron op een plaat maar niet op een kegel reageert, welke functie van deze objecten is het besturen van deze selectiviteit: de 2D contour, de 3D-structuur, de oriëntatie in de diepte, of een combinatie van veel verschillende functies? Om te bepalen van de kritische object voorzieningen voor neuronen die reageren tijdens object fixatie en grijpen, is het noodzakelijk om verschillende visuele testen met behulp van beelden van objecten en lagere versies van dezelfde afbeeldingen in dienst.
Een aanzienlijk deel van de neuronen in de AIP en F5 niet alleen reageert op de visuele presentatie van een object, maar ook wanneer het dier dit object in het donker (dat wil zeggen, in het ontbreken van visuele informatie grijpt). Dergelijke neuronen reageert niet op een afbeelding van een object dat niet kan worden begrepen. Vandaar, visuele en motorische onderdelen van de reactie zijn nauw verbonden, waardoor het moeilijk te onderzoeken van de vertegenwoordiging van de neuronale object in deze regio's. Aangezien visuomotor neuronen kunnen alleen worden getest met objecten van de echte wereld, moeten we een flexibel systeem voor de presentatie van verschillende objecten op verschillende posities in het gezichtsveld en verschillende oriëntaties, als we willen bepalen welke functies zijn belangrijk voor deze neuronen. De laatste kan alleen worden bereikt door middel van een robot staat voor het presenteren van de verschillende objecten op verschillende locaties in de visuele ruimte.
Dit artikel is van plan om een experimentele gids voor onderzoekers ook geïnteresseerd in de studie van parieto-frontale neuronen. In de volgende secties bieden wij de algemene protocol dat wordt gebruikt in ons laboratorium voor de analyse van grijpen en visueel object reacties bij wakker makaak apen (Macaca mulatta).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle technische procedures werden uitgevoerd volgens de National Institute of Health Gids voor de zorg en het gebruik van proefdieren en de EU-richtlijn 2010/63/EU en goedgekeurd door de ethische commissie van de KU Leuven.
1. algemene methoden voor extracellulaire opnamen in wakker gedragen Monkeys
- Het trainen van de dieren uit te voeren van de visuele en motorische taken vereist inspelen op uw specifieke onderzoeksvraag. Zorg ervoor dat het dier kunnen flexibel schakelen tussen taken tijdens dezelfde opnamesessie om het neuron uitgebreid testen en het verkrijgen van een beter begrip van de functies voor het besturen van de neurale reactie (Figuur 2-3).
- Trainen van het dier in de Visually-Guided grijpen (VGG; grijpen 'in het licht') te beoordelen van de visuomotor componenten van het antwoord. Opmerking: onafhankelijk van de gekozen taak geleidelijk beperken vochtinname ten minste drie dagen vóór het begin van de fase van de opleiding.
- Beperken de monkey's hoofd voor de gehele duur van de experimentele sessie.
- Houd de hand contralaterale aan de kamer van de opname op de rustende positie in de eerste sessies, en helpen het dier te bereiken en begrijpen van het object, waardoor handmatige beloning na elke poging.
- Plaats terug de monkey's hand op de rustende positie aan het einde van elk afzonderlijk experiment.
- Elke paar proeven, laat de hand van de aap, en wacht een paar seconden om te observeren als het dier het verkeer spontaan initieert.
- Handmatige beloning van toepassing wanneer de aap naar het object bereikt.
- Wanneer de bereiken fase correct wordt verworven, helpen het dier te heffen (of trekken) het object en de beloning handmatig.
- Zoals in 1.1.1.4 en 1.1.1.5, laat de monkey's hand en wacht een paar seconden om te observeren als het dier het verkeer spontaan initieert. Beloning geven wanneer de beweging goed wordt uitgevoerd.
- Corrigeer het bereiken, met de hand positie en de stand van de pols zoveel keer als nodig tijdens de procedure.
- Herhaal de bovenstaande stappen totdat het dier de handelingen automatisch voert.
- Laden van de automatische taken. Het dier krijgt automatisch beloond toen hij de bewegingen van reach en greep voor een vooraf bepaalde tijd presteert.
- Verhoog geleidelijk de tijd houden van het object.
- Het introduceren van de laser die de projecten van het punt van de fixatie op de basis van het object. Voeg vervolgens de tracker oog om te controleren de ooghoogte rond het object-te-worden-begrepen.
- Train het dier in Memory-Guided grijpen (MGG) te onderzoeken van de motor component van de reactie, niet beïnvloed door de visuele component van de stimulus.
- Beperken de monkey's hoofd.
- Volg dezelfde stappen beschreven voor het VGG ervoor te zorgen dat het dier fixatie op de laser tijdens de taak binnen een elektronisch gedefinieerde venster onderhoudt. Voor deze versie van de taak uitgaat het lampje aan het einde van de periode van de fixatie.
- Train de aap in passieve fixatie visuele responsiviteit en de selectiviteit van de vorm aan te pakken.
- Beperken de monkey's hoofd.
- De visuele stimuli voorleggen in de aap met een CRT (passieve fixatie van 3D stimuli) of een LCD-monitor (passieve fixatie van 2D stimuli).
- Presenteren een fixatie plek in het midden van het scherm, bovenop de visuele stimuli.
- Belonen van het dier na elke presentatie van de stimulus en verhoog geleidelijk de fixatie periode tot het bereiken van de normen van de taak.
- Trainen van het dier in de Visually-Guided grijpen (VGG; grijpen 'in het licht') te beoordelen van de visuomotor componenten van het antwoord. Opmerking: onafhankelijk van de gekozen taak geleidelijk beperken vochtinname ten minste drie dagen vóór het begin van de fase van de opleiding.
- Chirurgie, met behulp van steriele hulpmiddelen, gordijnen en toga's uitvoeren.
- Anesthetize van het dier met ketamine (15 mg/kg, intramuscularly) en medetomidine waterstofchloride (0,01-0,04 mL/kg intramuscularly) en bevestig de narcose regelmatig door het controleren van het dier reactie op prikkels, hartslag, ademhalingsfrequentie en bloed druk.
- Handhaven van algemene anesthesie (propofol 10 mg/kg/h intraveneus) en beheren van zuurstof met een tracheale buis. Gebruik maken van een lanolim gebaseerde zalf om te voorkomen dat oog droogheid terwijl onder verdoving.
- Analgesia met behulp van 0,5 bieden cc van buprenorfine (0,3 mg/ml intraveneus). In geval van verhoging van de hartslag tijdens de operatie, kan een extra dosering worden toegediend.
- Implantaat een MRI-compatibele hoofd post met keramische schroeven en tandheelkundige acryl. Het uitvoeren van alle overleving operaties onder strikte aseptische condities. Gebruik voor een adequaat onderhoud van het steriel veld, Steriele wegwerphandschoenen, maskers en steriele instrumenten.
- Geleid door de anatomische magnetische resonantie beeldvorming (MRI; Horsley-Clark coördinaten), maken een craniotomy boven het interessegebied en de kamer van de opname op de monkey's schedel implantaat. Gebruik een standaard opname kamer voor één eenheid extracellulaire opnames of een multielectrode microdrive, voor het gelijktijdig opnemen van meerdere neuronen.
- Na de operatie, staken de intraveneuze toediening van propofol tot spontane ademhaling hervat. Laat het dier onbeheerd achter totdat het bewustzijn heeft herwonnen niet en voeren het dier in de sociale groep slechts na volledig herstel.
- Voorzien van post-operatieve Analgesie, zoals aanbevolen door de institutionele dierenarts; Gebruik bijvoorbeeld Meloxicam (5mg/ml intramuscularly).
- 6 weken na de operatie voordat het experiment te wachten. Hierdoor is een betere verankering van de hoofd post aan de schedel en de garanties die het dier heeft volledig hersteld van de interventie.
- Lokaliseren van het gebied van de opname met behulp van MRI (voor één eenheid extracellulaire opnamen) en computertomografie (CT; voor multielectrode opnamen).
- Glazen capillairen te vullen met een 2%-oplossing van kopersulfaat en voegt u deze in een raster van de opname.
- Uitvoeren van structurele MRI (slice dikte: 0.6 mm).
- Controle van de neurale activiteit.
- Wolfraam microelectrodes gebruiken met een impedantie van 0,8-1 MΩ.
- Plaats de elektrode door middel van de dura met behulp van een 23G RVS gids tube en een hydraulische microdrive.
- Voor spike discriminatie, versterken en filteren van de neurale activiteit tussen 300 en 5.000 Hz.
- Voor lokale potentiële (LFP) veldopnames, versterken en filteren van het signaal tussen 1 en 170 Hz.
- Monitor het signaal van het oog
- Het aanpassen van een infrarood camera voor de ogen van het dier om een adequaat beeld van de leerling en het hoornvlies reflex te krijgen.
- Een infrarood-gebaseerd camera gebruiken om te proeven van de positie van de leerling bij 500 Hz.
2. onderzoek naar Object selectiviteit in de dorsale gebieden
- Uitvoeren van visueel-geleide grijpen (VGG).
- Kies de juiste grijpen setup afhankelijk van het doel van het onderzoek: carrousel setup of robot setup (Figuur 3).
- Voor de carrousel setup, voert u de taak VGG:
- Laat de aap plaats de hand contralaterale de opgenomen halfrond in de rust positie in volledige duisternis te leiden van de reeks.
- Na een variabele tijd (intertrial interval: 2.000-3.000 ms), een rode laser (fixatie punt) van toepassing op de basis van het object (afstand: 28 cm vanaf de apen ogen). Als het dier haar blik binnen het venster van een elektronisch gedefinieerde fixatie (+/-2,5 °) voor 500 ms onderhoudt, verlicht is het object van boven met een lichtbron.
- Nadat een variabele vertraging (300-1500 ms), program een dimmen van de laser (visuele cue van de GO) instrueren de aap op te heffen van de hand van de positie van de rust, en bereik, begrijpen en het object te houden voor een variabele interval (houden tijd: 300-900 ms).
- Wanneer het dier voert de hele reeks juist, het belonen met een druppel sap.
- Gebruik een vergelijkbare taak-reeks voor de setup van de robot.
- Wat de carrousel setup, zou de aap plaats de hand contralaterale de opgenomen halfrond in de rust positie in volledige duisternis te leiden van de reeks.
- Na een variabele tijd (intertrial interval: 2.000-3.000 ms), verlichting van de LED (fixatie punt) op het object (van binnenuit; afstand: 28 cm vanaf de apen ogen). Nogmaals, als het dier haar blik binnen het venster van een elektronisch gedefinieerde fixatie (+/-2,5 °) voor 500 ms onderhoudt, verlichten het object vanuit met een witte lichtbron.
- Nadat een variabele vertraging (300-1500 ms), schakel de LED (visuele cue van de GO), instrueren de aap op te heffen van de hand van de positie van de rust, en reach, begrijpen en het object te houden voor een variabele interval (houden tijd: 300-900 ms).
- Wanneer het dier voert de hele reeks juist, het belonen met een druppel sap.
- Tijdens de taak, de prestaties van de aap, met bijzondere aandacht voor de timing te kwantificeren. Maatregel zowel de tijd die is verstreken tussen de go-signaal en het begin van de beweging van de hand (reactietijd), en tussen het begin van de beweging en de lift van het object (grijpen tijd).
- Uitvoeren van geheugen-geleide grijpen (MGG; 'Grijpen in het donker'). De taak van het MGG gebruiken om te bepalen als neuronen visuomotor of motor-dominant zijn.
Opmerking: De volgorde is vergelijkbaar met die voor de VGG beschreven, maar het object is begrepen in totale duisternis.- Identiek aan de VGG taak, laat de aap plaats de hand contralaterale de opgenomen halfrond in de rust positie in volledige duisternis te leiden van de reeks.
- Na een variabele tijd (intertrial interval: 2.000-3.000 ms), een rode laser/LED (fixatie punt) om aan te geven van het punt van de fixatie van toepassing (aan de voet van het object voor de carrousel-installatie, in het midden van het object voor de robot setup; afstand: 28 cm vanaf de apen ogen) . Als het dier haar blik binnen het venster van een elektronisch gedefinieerde fixatie (+/-2,5 °) voor 500 ms onderhoudt, verlichting van het object.
- Na een vaste tijd (400 ms), door uit het licht te schakelen.
- Na een onderbreking van de variabele periode (300-1500 ms) na licht gecompenseerd, dimmen/schakelen de fixatie punt (CUE gaan) te instrueren de aap tot opheffing van de hand en reach, greep, en houden van het object (houden tijd: 300-900 ms).
- Wanneer het dier voert de hele reeks juist, geven een druppel sap als een beloning.
- Uitvoeren van passieve fixatie. Wat betreft de taak van VGG, kies de meest geschikte Setup te starten (carrousel of robot setup) afhankelijk van het doel van het onderzoek.
Opmerking: Twee verschillende passieve fixatie taken kunnen worden uitgevoerd: passieve fixatie van reële objecten (met behulp van de objecten-te-worden-begrepen in de carrousel en robot opstellingen) en passieve fixatie van 3D/2D beelden van objecten.- Uitvoeren van passieve fixatie van reële objecten.
- Presenteren de fixatie punt (rode laser voor de installatie van de carrousel geprojecteerd op de basis van het object en de rode LED in de robot-setup).
- Als het dier haar blik binnen het venster van een elektronisch gedefinieerde fixatie (+/-2,5 °) voor 500 ms onderhoudt, verlichten het object voor 2.000 ms.
- Als het dier haar blik in het venster voor 1000 ms onderhoudt, kunt u het belonen met een druppel sap.
- Uitvoeren van passieve fixatie van 3D/2D beelden van objecten.
- Presenteren van alle visuele stimuli op een zwarte achtergrond (luminantie 8 cd/m2) met behulp van een monitor (resolutie van 1280 × 1024 pixels) uitgerust met een snel-verval P46-fosfor en geëxploiteerd op 120 Hz (bekijken afstand: 86 cm).
- In de 3D-tests, presenteren de prikkels stereoscopically door afwisselend de linker en rechter oog beelden op een scherm (CRT-monitor), in combinatie met twee ferroelektrische vloeibare kristallen luiken. Zoek deze luiken voor de monkey's ogen, werken bij 60 Hz en synchroniseren met de verticale retrace van de monitor.
- Begin het proces door het presenteren van een klein plein in het midden van het scherm (fixatie punt; 0.2 ° × 0.2 °). Als de positie van de ogen binnen een elektronisch gedefinieerde 1° vierkante venster (veel kleiner dan voor levensechte objecten) voor ten minste 500 ms blijft, presenteren de visuele stimuli op het scherm, voor een totale tijd van 500 ms.
- Wanneer de aap een stabiele fixatie tot de verschuiving van de prikkel onderhoudt, het belonen met een druppel sap.
- Voor een passende studie van vorm selectiviteit, door een uitgebreide batterij van tests met 2D-afbeeldingen tijdens passieve fixatie taak, in de volgende volgorde te uitvoeren.
- Voer een zoekopdracht test. Testen van de visuele selectiviteit van de cel met behulp van een brede reeks van beelden (oppervlakte beelden; Figuur 4A), met inbegrip van de foto's van het object dat is begrepen in de VGG. Vergelijk voor dit en alle latere visuele taken, het beeld oproept van de sterkste reactie (zogenaamde 'preferent spiegelbeeld') naar een tweede afbeelding waarnaar het neuron zwak reageert (genoemd ' nonpreferred image'). Als het neuron bestudeerde ook op de beelden van objecten reageert, zoekt u naar specifieke stimulus onderdelen rijden de responsiviteit van de cel (Contour test, receptieve veld test en vermindering van de test).
- Voer een Contour-test. Van de oorspronkelijke oppervlakte beelden van echte objecten (2D of 3D afbeeldingen met textuur, arcering en perspectief), verkrijgen geleidelijk vereenvoudigde versies van dezelfde stimulus shape (silhouetten en contouren; Figuur 4B). Het verzamelen van ten minste 10 proeven per voorwaarde om te bepalen of het neuron geeft de voorkeur aan de oorspronkelijke oppervlakte, het silhouet of het overzicht uit de oorspronkelijke shape.
- Voer een receptieve veld (RF) test. Om de kaart van de RF van een neuron, presenteren de beelden van de objecten op verschillende posities op een display (in dit experiment, 35 posities; stimulans grootte van 3°), die betrekking hebben op het centrale gezichtsveld19,20. Het verzamelen van voldoende herhalingen van de stimulans op alle mogelijke posities in een redelijke termijn, verminderen de duur van de prikkel (geflitste stimuli; duur van de prikkel: 300 ms, intertrial interval: 300 ms).
- Voer een vermindering van de test. Voer de test van een vermindering met contour fragmenten gepresenteerd in het midden van de RF te identificeren van de Minimum effectieve Shape functie (MESF). De verzameling van stimuli in Photoshop genereren door het bijsnijden van de omtrek van elk van de oorspronkelijke contour shapes langs de belangrijkste assen (figuur 3B). Het ontwerp van de MESF als het kleinste fragment dat vorm om een antwoord dat ten minste 70% van de reactie van intact overzicht en niet aanzienlijk kleiner dan dat antwoord8.
- Voor een betere schatting van de afhankelijkheid van de positie (het effect van stimulus standpunt over fragment selectiviteit), moet u twee verschillende tests uitvoeren. Voer een vermindering van de Test met de fragmenten die zich bevindt op de positie ingenomen in de oorspronkelijke vorm van de omtrek. Voer een vermindering van de Test met de fragmenten op het massamiddelpunt van de vorm.
- Voer een nieuwe RF-toewijzing met behulp van de MESF in dit stadium.
- Uitvoeren van passieve fixatie van reële objecten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 5 percelen de reacties van een voorbeeld neuron opgenomen uit gebied F5p met vier objecten getest: twee verschillende vormen - een bol en een plaat-weergegeven in twee verschillende maten (6 en 3 cm). Deze bijzondere neuron reageerde niet alleen op de grote bol (optimale stimulans; bovenste linker paneel), maar ook aan de grote plaat (lagere linker paneel). Ter vergelijking, was het antwoord op de kleinere objecten zwakker (bovenste en onderste rechts panelen).
Figuur 6 toont een voorbeeld neuron opgenomen in AIP getest tijdens VGG zowel passieve fixatie. Deze neuron was responsieve niet alleen tijdens het grijpen (VGG taak, deelvenster A) maar ook aan de visuele presentatie van 2D beelden van objecten gepresenteerd op een scherm (passieve fixatie met inbegrip van het beeld van de objecten die worden gebruikt in de grijpen taak; Figuur 6B). Merk op dat de voorkeur stimulus in de passieve fixatie-taak niet noodzakelijkerwijs is de object-te-worden-begrepen, maar een andere 2D afbeelding waarmee het dier heeft geen eerdere grijpen ervaring (Mandarijn). Figuur 6 c toont de RF van deze cel wanneer getest met de afbeelding van de voorkeurs- en nonpreferred. Een voorbeeld van de reacties die zijn verkregen in de vermindering van de test wordt weergegeven in figuur 6D. Dit voorbeeld neuron gereageerd op de kleinste fragmenten in de test (1-1,5 °).
Figuur 1. Parieto-frontale netwerk betrokken bij visueel object verwerking en motor planning en uitvoering. Posterieure pariëtale gebied AIP projecten aan gebieden PFG, 45B en F5a, en vervolgens naar F5p, M1 en, tot slot, het ruggenmerg.
Figuur 2. Besluit boom voor het testen object selectiviteit: experimentele protocol dat wordt gebruikt voor het testen van visuomotor reacties in onze neuronale populaties. De taak van VGG kan worden gevolgd door een MGG of een visuele taak (passief fixatie). Twee verschillende passieve fixatie taken kunnen worden beschouwd als afhankelijk van de regio van belang: passieve fixatie van de echte wereld objecten en passieve fixatie van 2D-afbeeldingen van objecten. De primate visuomotor systeem heeft ontwikkeld ter ondersteuning van de manipulatie van echte objecten, niet de beelden van de objecten6,13 en daarom er is voorspeld dat die regio's met een motor dominante component aanzienlijk meer zullen inspelen op de visie van echte, praktische objecten. Vorm selectiviteit kan echter alleen worden verkend in detail met behulp van een vermindering van de aanpak, die gemakkelijker kan worden uitgevoerd met de beelden van de objecten. In 2D passieve fixatie taak betekent een positief antwoord (met vermelding van visuele selectiviteit aan de beelden van de objecten) dat het is mogelijk om de neuronale reactie nog verder te verfijnen. Dit brengt ons een nieuwe experimentele taak verkennen van lager niveau functies in de stimulus uitvoeren. In contrast, geeft een negatieve reactie het einde van het experiment.
Figuur 3. Visuomotor opstellingen. (A). carrousel setup. Linker paneel: carrousel ontwerp (onzichtbaar voor de aap). Rechter paneel: de details van de plaat van de carrousel weergegeven: het object be-begrepen en de hand van de aap naderen. Met een verticaal roterende carrousel met maximaal zes objecten, wij de verschillende objecten aan de aap kunnen voorleggen. B. de opstelling van de Robot van. Linker paneel: Vooraanzicht van de robot-setup. Rechter paneel: de details van de vier verschillende objecten aangeboden door de robot (klein/groot bord; kleine/grote bol). Een tweede en meer verfijnde manier om te presenteren van de objecten tijdens eencellige opnames is door middel van een robotarm van de commerciële uitgerust met een grijper. Voor A en B, de opeenvolging van gebeurtenissen is identiek voor tijdens de visuele fixatie met de uitzondering dat in de carrousel setup, het object wordt verlicht van boven en in de robot setup het object vanuit brandt. In de fase van de greep verschilt de taak enigszins. Overwegende dat in de carrousel setup, de CUE gaan wordt aangegeven door het dimmen van de laser; in het configuratiemenu van de robot schakelt de fixatie LED volledig uit. Een ander verschil verwijst naar de specifieke functionaliteit van beide opstellingen. Terwijl de carrousel setup kan vooral worden gebruikt voor het testen van de selectiviteit van het object op een unieke positie in de visuele ruimte, met de robot setup, kunnen we program van de afstand waarop het object be-begrepen wordt ingediend, het standpunt in het vlak van frontoparallel, of zelfs veroorzaken verstoringen in objectoriëntatie tijdens grijpen (bijvoorbeeld een snelle 45 ° rotatie van het object tijdens de bereiken fase). Beide systemen kunnen de presentatie van verschillende doelobjecten met verschillende grijpen eigenschappen (grootte, volume, enzovoort), vereisen verschillende grijpen strategieën (power grip versus precisie grip). (C). voorbeeld van een VGG taak (carrousel setup). 1. fixatie: In onze carrousel VGG taak, de aap legt haar contralaterale hand op een rustende positie apparaat te leiden van de reeks. Vervolgens wordt een laser geprojecteerd op het object-te-worden-begrepen, die in totale duisternis blijft. 2. licht op: als het dier stabiele fixatie rond een elektronisch gedefinieerde venster rondom het object voor een bepaalde duur onderhoudt, het object wordt verlicht door een externe lichtbron (visuele fase van de taak). Ten slotte, na een variabele vertraging, de laser dimt, werkzaam als een visuele cue van de GO en geven aan de aap te leiden van het grijpen verkeer. Het dier wordt beloond voor bereiken, grijpen en heffen van het object (gedetecteerd door glasvezel kabels).
Figuur 4. Visuele stimuli. (A). voorbeeld van de verzameling van de stimulus gebruikt ter beoordeling van de selectiviteit van de visuele vorm. (B). uit de oorspronkelijke oppervlakte beelden in A produceren wij geleidelijk vereenvoudigde versies van de visuele stimuli (3D oppervlakken, 2D oppervlakken, silhouetten, contouren en fragmenten). Door het overzicht in kleinere segmenten verdelen, zoeken wij voor de Minimum effectieve Shape functie (MESF) dat visuele selectiviteit.
Figuur 5. VGG taak getest met de robot setup (robot setup in figuur 3B). Presenteerden we vier verschillende objecten op dezelfde positie in de diepte: grote bol (linksboven), grote plaat (linksonder), kleine plaat (rechtsonder) en kleine bol (rechtsboven). De neuronale reactie wordt uitgelijnd met lichte aanvang in het object (bin grootte van 20 ms).
Figuur 6. AIP neuron opgenomen met behulp van VGG (grijpen op de carrousel) en passieve fixatie taken. (A). activiteit tijdens het grijpen. Peristimulus-tijd histogram weergegeven: de reactie van een AIP neuron (neuronale reactie uitgelijnd met lichte begin op het object). (B). visuele reactie van de dezelfde neuron wanneer getest met een groot aantal 2D beelden met levensechte objecten, inclusief een afbeelding van het object aan-be-begrepen (in twee verschillende richtingen: horizontaal ten opzichte van de verticaal). (C). receptieve veldtoewijzing. 2D geïnterpoleerd kaarten vertegenwoordigen de gemiddelde reactie op de voorkeursserver (links) en nonpreferred (rechts) stimuli voor het neuron in A en B wanneer getest met 3° beelden van objecten. Om te bouwen van de kaarten, gekwantificeerd wij de netto neuronale reactie (door aftrekken van de basislijn activiteit) verkregen op 35 verschillende posities op het scherm (aangegeven door de snijpunten van de onderbroken rasterlijnen; [0,0]: centrale ligging; + 6 ° Azimut: contralaterale), 2 ° uit elkaar zijn verdeeld en die betrekking hebben op zowel de ipsi- en contralaterale visuele hemifields. Kleur geeft de sterkte van de neurale reactie (variërend tussen 0 en de maximale respons van de cel). (D). kleur boom perceel vertegenwoordigen de genormaliseerde netto Reacties (vuren tarief minus basislijn activiteit) van de dezelfde neuron zoals in figuur 6A-C op de voorkeurs- en nonpreferred prikkel (omtrekken van het voorkeurs- en nonpreferred beeld) in de test van de vermindering van de standaard (vermindering van de test met de fragmenten die zich bevindt op de positie bezet op de oorspronkelijke vorm van de omtrek; 4-fragment stimuli, eerste rij 8-fragment stimuli, tweede rij; 16-fragment stimuli, derde rij). De kleur in elke cirkel geeft aan de omvang van de respons (1 = 28 spikes/s).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Een totaalbenadering van de studie van de dorsale stream vereist een zorgvuldige selectie van gedrags taken en visuele tests: visuele en grijpen paradigma's gecombineerd of afzonderlijk afhankelijk van de specifieke eigenschappen van de regio kunnen worden ingezet.
In dit artikel geven we de voorbeelden van de neurale activiteit opgenomen in zowel de F5p als de AIP in reactie op een subset van visuele en motorische taken, maar zeer soortgelijke reacties kunnen worden waargenomen in andere frontale gebieden zoals gebied 45B en F5a.
Wij stellen twee experimentele opstellingen om te onderzoeken van de neurale weergave van objecten tijdens het grijpen. Met een verticaal roterende carrousel (figuur 3A) met maximaal zes objecten, wij de verschillende objecten aan de aap kunnen voorleggen. De roterende carrousel toelaat de presentatie van verschillende doelobjecten (verschillen in vorm, grootte, volume, enzovoort), vereisen verschillende grijpen strategieën (power grip versus precisie grip).
Een tweede en meer verfijnde manier om te presenteren van objecten tijdens eencellige opnames is door middel van een commerciële robotarm en grijper (figuur 3B). In dit geval initieert de robot het proces door het grijpen van een object (figuur 3B) en verplaatsen naar een bepaalde positie in de ruimte in totale duisternis, terwijl de monkey's hand op de rustende positie blijft. Naast dit is de volgorde van de gebeurtenissen identiek zijn in de twee opstellingen. Echter, het gebruik van een robot maakt een breed manipulatie van experimentele parameters (afstand waarop het object wordt gepresenteerd, positie in het frontoparallel-vlak, of de richting van het object). Ten slotte, zoals wordt weergegeven in het rechterpaneel van figuur 3B, de robot kan ook worden geprogrammeerd om te begrijpen van de verschillende objecten (plaat en sfeer in ons geval).
Deze experimentele benadering kunt bepalen van de object-functies rijden visuomotor neuronen die op object waarneming tijdens grijpen reageren. Deze benadering heeft echter ook beperkingen. Met elke test, sommige neuronen zal worden uitgesloten van verdere proeven (bijvoorbeeld geen reacties op de beelden van de objecten, geen contour selectiviteit), zodat de conclusies van het experiment kunnen alleen betrekking hebben op een subset van alle de neuronen tonen taakgerelateerde activiteit tijdens het grijpen. Echter in onze eerdere studies8, de overgrote meerderheid (83%) van neuronen met visuele reacties op object waarneming tijdens grijpen reageerden ook selectief op de beelden van de objecten en de grote meerderheid van de laatste neuronen (90%) waren ook selectief voor contour versies van deze beelden. Onze testen protocol kan dus geschikt voor een zeer groot gedeelte van alle visueel responsieve neuronen in de pariëtale en frontale cortex.
Sommige visuomotor neuronen, waarschijnlijk in meer motor-gerelateerde subsectoren in de frontale cortex zoals F5p, kunnen alleen reageren op objecten in het kader van een grijpen taak, en nooit te reageren op de beelden van de objecten (zelfs met verrekijker ongelijkheid) gepresenteerd op een weergegeven. We kunnen toch het onderzoeken van de eigenschappen van deze subpopulatie van neuronen met behulp van de robot. Met deze experimentele opstelling, we kunnen de objecten op verschillende locaties in het vliegtuig frontoparallel presenteren tijdens passieve fixatie (analoog aan een RF-test), bij verschillende 3D oriëntaties en op verschillende afstanden van het dier, en kunnen we combineren saccadic oog verplaatsingen naar het object met het grijpen van21-object.
Het is onze bedoeling niet tot een enkel of stijve experimenteel protocol voor de studie van parieto-frontale neuronen, maar onderstrepen de noodzaak van een alomvattende en dynamische aanpak, met de taken en de proeven die zijn speciaal ontworpen voor de neuronen bestudeerde. Met betrekking tot de visuele selectiviteit, bijvoorbeeld, kunnen ons protocol gemakkelijk aan te passen voor de studie van andere visuele eigenschappen van neuronen reageren op objecten. Bijvoorbeeld, we een zeer vergelijkbare aanpak gevolgd bij het onderzoeken van 3D selectiviteit in F5a12 en AIP neuronen13 tijdens grijpen. We ook grijpen uitvoering en gedetailleerde visuele testen met video's van acties bij het onderzoeken van de actie observatie reacties in AIP22gecombineerd. Op dezelfde manier, kunnen vele andere experimentele taken, niet opgenomen hier, ook worden toegevoegd aan onze protocol afhankelijk van de wetenschappelijke vraag worden aangepakt. Deze taken omvatten het onderzoek van zowel puur fysieke kenmerken van de prikkel (bijvoorbeeld stimulans grootte) en cognitieve aspecten zoals stimulans vertrouwdheid23 of biologische relevantie (voorkeur voor vormen die biologisch relevant zijn zoals gezichten24).
Verdere studies op deze gebieden zorgt voor een beter begrip van het netwerk en zal ons toelaten om het verfijnen van het soort protocollen moeten worden gebruikt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Wij danken Inez Puttemans, Marc De Paep, Sara De Pril, Wouter Depuydt, Astrid Hermans, Piet Kayenbergh, Gerrit Meulemans, Christophe Ulens en Stijn Verstraeten voor technische en administratieve bijstand.
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 |
References
- Gallese, V., Fadiga, L., Fogassi, L., Rizzolatti, G. Action recognition in the premotor cortex. Brain. 119 (2), 593-609 (1996).
- 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).
- 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).
- 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).
- Goodale, M. A., Milner, A. D. Separate visual pathways for perception and action. Trends Neurosci. 15 (1), 20-25 (1992).
- 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).
- 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).
- Romero, M. C., Pani, P., Janssen, P. Coding of shape features in the macaque anterior intraparietal area. J. Neurosci. 34 (11), 4006-4021 (2014).
- 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).
- 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).
- Janssen, P., Scherberger, H. Visual guidance in control of grasping. Annu. Rev. Neurosci. 8 (38), 69-86 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Romero, M. C., Janssen, P. Receptive field properties of neurons in the macaque anterior intraparietal area. J. Neurophysiol. 115 (3), 1542-1555 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
