Summary
En detaljert protokoll analysere objektet selektivitet av parieto frontal neurons involvert i visuomotor transformasjoner er presentert.
Abstract
Tidligere studier har vist at nerveceller i parieto frontal områder av macaque hjernen kan være svært selektive for objekter, misforhold brukerdefinert buede overflater og bilder av objekter (med og uten forskjell) på en lignende måte som beskrevet i ventrale visuelle strømmen. I tillegg antas parieto frontal områder å konvertere visuell informasjon til riktig motor utdata, f.eks pre utformingen av hånden under fatte. Bedre betegner objektet selektivitet i kortikale nettverket involvert i visuomotor transformasjoner, tilbyr vi et batteri av tester skal analysere visuelt objekt selektivitet av nerveceller i parieto frontal regioner.
Introduction
Menneskelige og ikke-menneskelige primater dele kapasitet til å utføre komplekse motor handlinger inkludert objektet fatte. For å utføre disse oppgavene, trenger våre hjernen å fullføre transformasjonen av indre objektegenskaper i motor kommandoer. Denne transformasjonen er avhengig av en sofistikert nettverk av dorsal kortikale områder i parietal og ventrale premotor cortex1,2,3 (figur 1).
Fra lesjonen studier i aper og mennesker4,5vet vi at dorsal visuelle strømmen - opprinnelse i primære hjernebarken og rettet mot bakre parietal cortex - er involvert i både romlige visjon og planlegging av motor handlinger. Imidlertid er fleste dorsal strømmen områder ikke viet til en unik form for behandling. Det fremre intraparietal området (AIP), en av de slutt scenen områdene i dorsal visuelle strømmen, inneholder en rekke nevroner som brann ikke bare under fatte6,7,8, men også under visuelle inspeksjon av objektet7,8,9,10.
Ligner AIP, nerveceller i området F5, ligger i ventrale premotor cortex (PMv), også svare visuelle fiksering og objektet grasping, som trolig vil være viktig for transformasjonen av visuell informasjon i motor handlinger11. Den fremre delen av denne regionen (subsector F5a) inneholder neurons å selektivt tredimensjonal (3D, forskjell-definert) bilder12,13, mens subsector ligger i konveksitet (F5c) inneholder nerveceller preget av speil egenskaper1,3, skyte både når et dyr utfører eller observerer handlingen. Endelig er bakre F5 regionen (F5p) en hånd-relaterte felt, med en høy andel av visuomotor neurons lydhør overfor både observasjon og fatte 3D-objekter14,15. Ved F5, området 45B, ligger i den underlegne ramus av den arcuate sulcus, kan også være involvert i både figuren behandling16,17 og fatte18.
Testing objektet selektivitet i parietal og frontal cortex er utfordrende, fordi det er vanskelig å bestemme hvilke funksjoner disse neurons svare på og hva feltene mottakelig for disse nervecellene. For eksempel hvis en Nevron svarer til en plate, men ikke til en kjegle, hvilken funksjon av disse objektene kjører denne selektivitet: 2D konturen, 3D strukturen, retningen i dybden eller en kombinasjon av mange forskjellige funksjoner? For å bestemme kritisk objektet funksjonene for nevroner som svare under objektet fiksering og fatte, er det nødvendig å bruke ulike visuelle tester med bilder av objekter og redusert versjoner av de samme bildene.
En betydelig andel av neurons i AIP og F5 ikke bare reagerer på den visuelle presentasjonen av et objekt, men også når dyret fatter objektet i mørket (dvs. i fravær av visuell informasjon). Slike neurons kan ikke svare på et bilde av et objekt som ikke kan fattet. Derfor er visuelle og motor komponenter i svaret intimt forbundet som gjør det vanskelig å undersøke neuronal objektet representasjon i disse regionene. Siden visuomotor neurons kan bare bli testet med objekter, trenger vi et fleksibelt system for å presentere forskjellige objekter på forskjellige posisjoner i det visuelle feltet og forskjellige retninger hvis vi ønsker å avgjøre hvilke funksjoner som er viktige for disse neurons. Sistnevnte kan bare oppnås ved hjelp av en robot i stand til å presentere ulike objekter på forskjellige steder i visuell plass.
Denne artikkelen vil gi en eksperimentell guide for forskere interessert i studiet av parieto frontal neurons. I delene nedenfor vil vi gi generell protokollen som brukes i vårt laboratorium for analyse av grasping og visuelle objektet svar i våken macaque apekatter (Macaca mulatta).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle tekniske prosedyrer ble utført i henhold til National Institute of Health's Guide og bruk av forsøksdyr og EU-direktivet 2010/63/EU og ble godkjent av den etiske komiteen i KU Leuven.
1. generelle metoder for ekstracellulære opptak i våken oppfører seg aper
- Tog dyrene å utføre de visuelle og motor oppgavene som kreves for å løse din bestemt problemstilling. Kontroller at dyret er kan fleksibelt bytte mellom aktiviteter under samme innspillingen for å teste Nevron mye og få en bedre forståelse av funksjonene kjøring neural response (figur 2-3).
- Trene dyret i Visually-Guided fatte (VGG, fatte 'i lys') å evaluere visuomotor komponentene i svaret. Merk: uavhengig fra aktiviteten valgt, gradvis begrense fluid inntak minst tre dager før opplæringsfasen.
- Holde monkey's leder for hele varigheten av eksperimentelle økten.
- I de første øktene, holde hånden kontralateral innspillingen kammeret hvile der og hjelpe det dyr å nå og forstå objektet, gir manuell belønning etter hvert forsøk.
- Plass tilbake monkey's hånd på hvile posisjon på slutten av hvert forsøk.
- Hver noen forsøk, slipp av ape, og vent noen sekunder å observere hvis dyret starter bevegelsen spontant.
- Bruke manuell belønning når monkey når mot objektet.
- Når den nå fasen anskaffes riktig, hjelpe dyret til å løfte (eller trekke) objektet og belønning manuelt.
- Som 1.1.1.4 og 1.1.1.5, slipp monkey's hånd, og vent noen sekunder å observere hvis dyret starter bevegelsen spontant. Gi belønning når bevegelsen utføres riktig.
- Riktig det nå, hånd posisjon og håndleddet retning så mange ganger som nødvendig under prosedyren.
- Gjenta trinnene ovenfor til dyret utfører sekvensen automatisk.
- Laste automatisk oppgave. Dyr blir belønnet automatisk når det utfører bevegelser rekkevidde og forståelse for en forhåndsavtalt tid.
- Gradvis øke holder for objektet.
- Introdusere laser som projiserer fiksering punktet på bunnen av objektet. Legg deretter øye sporing for å overvåke øyet posisjon rundt objektet til grep.
- Trene dyret i Memory-Guided fatte (MGG) å undersøke motor komponenten i svaret, ikke påvirkes av den visuelle delen av stimulans.
- Holde monkey's hode.
- Følg de samme trinnene beskrevet VGG å sørge for at dyret opprettholder fiksering på laser under oppgaven et elektronisk definerte vindu. Denne versjonen av oppgaven slukkes lyset på slutten av perioden som fiksering.
- Tog apekatten i passiv fiksering å ta visuelle respons og figur selektivitet.
- Holde monkey's hode.
- Presentere visuelle stimuli monkey CRT (passiv fiksering 3D stimuli) eller en LCD-skjerm (passiv fiksering 2D stimuli).
- Presentere en fiksering flekk i midten av skjermen, oppå de visuelle stimuli.
- Belønne dyret etter hver presentasjon av stimulus og øker gradvis fiksering perioden fram standarder for aktiviteten.
- Trene dyret i Visually-Guided fatte (VGG, fatte 'i lys') å evaluere visuomotor komponentene i svaret. Merk: uavhengig fra aktiviteten valgt, gradvis begrense fluid inntak minst tre dager før opplæringsfasen.
- Utføre kirurgi, sterile verktøy, gardiner og kjoler.
- Bedøve dyret med ketamin (15 mg/kg, intramuskulært) og medetomidine hydroklorid (0,01-0,04 mL/kg intramuskulært) og Bekreft av bedøvelsen regelmessig sjekke dyrets svar på stimuli, hjertefrekvens, pustefrekvens og blod Press.
- Opprettholde narkose (propofol 10 mg/kg/t intravenøst) og administrere oksygen med et tracheal rør. Bruk en lanolim-baserte salve for å hindre øye tørrhet under anestesi.
- Gi analgesi med 0,5 kopi av buprenorfin (0,3 mg/ml intravenøst). Ved økningen av hjertefrekvens under operasjonen, kan en ekstra dose administreres.
- Implantatet en MRI kompatibel hodet innlegg med keramiske skruer og dental akryl. Utføre alle overlevelse operasjoner under strenge aseptiske vilkår. En tilstrekkelig vedlikehold av sterile feltet, kan du bruke sterilt engangshansker, masker og sterile instrumenter.
- Guidet av anatomiske magnetisk resonans imaging (MRI; Horsley-Clark koordinater), lage en craniotomy over området av interesse og implantat opptak kammeret på monkey's skallen. Bruk en standard opptak kammer for enhet ekstracellulære opptak eller en multielectrode microdrive, for samtidig opptak av flere neurons.
- Etter operasjonen, slutte intravenøs administrasjonen propofol til spontan puste igjen. Ikke forlate dyret uovervåket før det har gjenvunnet bevissthet og introdusere dyret i gruppen sosiale bare etter fullstendig gjenoppretting.
- Gi postoperativ analgesi som anbefalt av det institusjonelle veterinarian; Bruk for eksempel har meloksikam (5mg/ml intramuskulært).
- Vent 6 uker etter operasjonen før du starter eksperimentet. Dette gir en bedre anchorage av hodet innlegget til skallen og garanterer at dyret er helt gjenopprettet etter intervensjon.
- Lokalisere innspillingen området bruke MRI (for enkelt enhet ekstracellulære opptak) og beregnede tomografi (CT; multielectrode opptak).
- Fyll glasset kapillærene med en 2% kobber sulfat løsning og sette dem inn i et opptak rutenett.
- Utføre strukturelle MRI (skjær tykkelse: 0,6 mm).
- Overvåking av nevrale aktivitet.
- Bruke tungsten microelectrodes med en impedans på 0,8-1 MΩ.
- Sett inn elektroden gjennom dura bruker en 23G rustfritt stål guide rør og en hydraulisk microdrive.
- Spike diskriminering, forsterke og filtrere nevrale aktiviteten mellom 300 og 5000 Hz.
- Lokale feltet potensielle (LFP) opptak, forsterke og filtrere signalet mellom 1 og 170 Hz.
- Overvåke øye signalet
- Justere infrarødt kamera foran dyrets øyne å få et tilfredsstillende bilde av eleven og det hornhinnen refleks.
- Bruk en infrarød-baserte kameraet for å prøve elev stilling til 500 Hz.
2. undersøke objektet selektivitet i Dorsal områder
- Utføre visuelt-guidede fatte (VGG).
- Velge riktig fatte oppsett avhengig av målet forskning: carousel oppsett eller robot setup (Figur 3).
- For karusellen oppsett, kan du kjøre VGG oppgaven:
- La monkey plasserer hånden kontralateral til den innspilte halvkulen i hvile posisjon i fullstendig mørke å starte sekvensen.
- Etter en variabel tid (intertrial intervall: 2,000-3,000 ms), bruke en rød laser (fiksering punkt) på bunnen av objektet (avstand: 28 cm fra apene øyne). Hvis dyret har blikket en elektronisk brukerdefinert fiksering vinduet (+/-2,5 °) for 500 ms, lyse objektet ovenfra med en lyskilde.
- Når en variabel forsinkelse (300-1500 ms), programmet en nedtoning av laser (visuell indikasjon på GO) instruere monkey å løfte hånden hvile posisjon og nå, forstå og avholde objektet for en variabel intervall (holder tid: 300-900 ms).
- Når Dyret utfører hele sekvensen riktig, belønne den med en dråpe juice.
- Bruk en lignende oppgave sekvens for robot oppsett.
- Som for karusellen stilling, la monkey plasserer hånden kontralateral til den innspilte halvkulen i hvile posisjon i fullstendig mørke å starte sekvensen.
- Etter en variabel tid (intertrial intervall: 2,000-3,000 ms), lyser LED (fiksering punkt) på objektet (innenfra; avstand: 28 cm fra apene øyne). Igjen, hvis dyr har blikket en elektronisk brukerdefinert fiksering vinduet (+/-2,5 °) for 500 ms, lyse objektet fra innen med en hvit lyskilde.
- Etter en variabel forsinkelse (300-1500 ms), slå av LED (visuell indikasjon på GO), instruere monkey å løfte hånden hvile posisjon og nå, forstå og avholde objektet for en variabel intervall (holder tid: 300-900 ms).
- Når Dyret utfører hele sekvensen riktig, belønne den med en dråpe juice.
- Under oppgaven, kvantifisere resultatene av ape, betaler spesiell oppmerksomhet til timing. Mål både tiden som har gått mellom gå-signalet og utbruddet av hånd bevegelse (reaksjonstid), og mellom starten av bevegelse og løftet av objektet (fatte tid).
- Utføre minne-guidede fatte (MGG; 'Gripe i mørket"). Bruk MGG oppgaven for å avgjøre hvis neurons er visuomotor eller motor dominerende.
Merk: Rekkefølgen er lik som beskrevet i VGG, men objektet er grep i totalt mørke.- Identisk VGG aktiviteten, la monkey plasser hånden kontralateral til den innspilte halvkulen i hvile posisjon i fullstendig mørke å starte sekvensen.
- Etter en variabel tid (intertrial intervall: 2,000-3,000 ms), bruke en rød laserskrivere (fiksering punkt) for å angi fiksering punktet (ved foten av objektet for karusellen oppsettet, i midten av objektet for robot oppsett; avstand: 28 cm fra apene øyne) . Hvis dyret har blikket en elektronisk brukerdefinert fiksering vinduet (+/-2,5 °) for 500 ms, lyse objektet.
- Etter en fast tid (400 ms), må du slå på lyset.
- Etter en variabel forsinkelse perioden (300-1500 ms) etter lys forskyvning dim/switch fiksering punktet (gå kø) for å instruere monkey å løfte hånden og rekkevidde, forståelse og avholde objektet (holder tid: 300-900 ms).
- Når Dyret utfører hele sekvensen riktig, gi en dråpe juice som belønning.
- Utføre Passive fiksering. Som for aktiviteten VGG, velge det mest passende oppsettet (karusell eller robot setup) avhengig av målet med forskningen.
Merk: To forskjellige passiv fiksering oppgaver kan utføres: passive fiksering av virkelige verden objekter (med objekter til grep i karusellen og robot oppsett) og passiv fiksering av 3D/2D bilder av objekter.- Utføre passiv fiksering av objekter.
- Presentere fiksering punktet (rød laser for karusellen oppsettet projisert på bunnen av objektet og rød LED i robot oppsettet).
- Hvis dyret har blikket en elektronisk brukerdefinert fiksering vinduet (+/-2,5 °) for 500 ms, lyse objektet i 2000 ms.
- Hvis dyret har blikket i vinduet for 1000 ms, belønne den med en dråpe juice.
- Utføre passiv fiksering av 3D/2D bilder av objekter.
- Presentere alle visuelle stimuli på svart bakgrunn (lystetthet 8 cd/m2) bruker en skjerm (oppløsning på 1280 × 1024 piksler) utstyrt med en rask-decay P46-fosfor og drives på 120 Hz (viser avstand: 86 cm).
- I 3D testene, presentere stimuli stereoscopically av vekslende de venstre og høyre øye bildene på en skjerm (CRT-skjerm), sammen med to ferroelectric LCD vinduslemmer. Finn disse skodder foran monkey's øyne, opererer på 60 Hz og synkronisere den vertikale spore skjermen.
- Starte rettssaken ved å presentere en liten firkant i midten av skjermen (fiksering punkt, 0,2 ° × 0,2 °). Hvis øyet posisjon forblir i en elektronisk definerte 1° kvadrat vindu (mye mindre enn for objekter) i minst 500 ms, presentere visuelle stimulans på skjermen, for en total tid på 500 ms.
- Når monkey opprettholder en stabil fiksering til stimulans forskyvningen, belønne den med en dråpe juice.
- For en tilstrekkelig studie av figuren selektivitet, kjøre et omfattende batteri av tester med 2D-bilder under passiv fiksering aktivitet i følgende rekkefølge.
- Kjøre en søk-test. Teste visuelle selektivitet av cellen med et bredt sett av bilder (overflaten bilder; Figur 4A), inkludert bilder av objektet som er grep på VGG. For denne og alle påfølgende visuelle aktiviteter, kan du sammenligne bildet fremkaller sterkeste svaret (kalt 'foretrakk image') til en andre bildet som Nevron svarer svakt (betegnes "nonpreferred bilde"). Hvis Nevron under studien svarer også bilder av objekter, søke etter bestemte stimulans komponenter kjører cellens respons (kontur test, mottakelig felttest og reduksjon test).
- Kjøre en kontur test. Fra de opprinnelige overflaten bildene av virkelige objekter (2D eller 3D bilder som inneholder teksturen, skygge og perspektiv), få gradvis forenklede versjoner av samme stimulans form (silhuetter og disposisjoner; Figur 4B). Samle minst 10 prøver per betingelse for å avgjøre om Nevron foretrekker opprinnelige overflaten, silhuetten eller disposisjonen fra den opprinnelige figuren.
- Kjøre en lyttende feltet (RF) test. Hvis du vil tilordne RF av en Nevron, presentere bilder av objekter i forskjellige posisjoner på en skjerm (i dette eksperimentet, 35 posisjoner; stimulans størrelsen på 3°), dekker de sentrale visuelle felt19,20. For å samle nok stimulus gjentakelser på alle mulige posisjoner i rimelig tid, redusere stimulans varigheten (glimtet stimuli; stimulans varighet: 300 ms, intertrial intervall: 300 ms).
- Kjøre en reduksjon test. Kjøre en reduksjon test med kontur fragmenter presentert på midten av RF å identifisere den minst effektive figuren funksjon (MESF). Generere en rekke stimuli i Photoshop ved beskjæring konturene av hver av de opprinnelige kontur figurene langs viktigste akser (figur 3B). Utforme i MESF som minste figur fragmentet fremkaller et svar som er minst 70% av intakt disposisjon respons og ikke betydelig mindre enn at svaret8.
- For en bedre estimering av posisjon avhengighet (effekt av stimulans posisjon på fragment selektivitet), kjøre to ulike tester. Kjøre en reduksjon Test med fragmenter på stillingen i originalfiguren disposisjon. Kjøre en reduksjon Test med fragmenter på senteret av massen av figuren.
- På dette stadiet, kan du kjøre en ny RF kartlegger benytter MESF.
- Utføre passiv fiksering av objekter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 5 tomter svarene på en eksempel Nevron innspilt fra området F5p testet med fire objekter: to ulike former - en kule og en plate-vises i to forskjellige størrelser (6 og 3 cm). Denne spesielle Nevron svarte ikke bare til store sfæren (optimal stimulans, øverste venstre panel), men også til den store platen (nedre venstre panel). Sammenligning responsen til mindre objektene var svakere (øvre og nedre høyre panel).
Figur 6 viser en eksempel Nevron i AIP testet under både VGG og passiv fiksering. Denne Nevron var forståelsesfull ikke bare under fatte (VGG aktivitet, panelet) men også til den visuelle presentasjonen av 2D-bilder av objekter presentert på en skjerm (passiv fiksering inkludert bildet av objektene som brukes i den grasping aktiviteten. Figur 6B). Note det foretrukne stimulans i passiv fiksering oppgaven ikke er nødvendigvis objektet til grep, men en annen 2D bilde som dyret har ingen tidligere fatte erfaring (mandarin). Figur 6C viser RF i denne cellen når testet med foretrukne og nonpreferred bildet. Et eksempel på svarene innhentet i reduksjon testen vises i figur 6D. Denne eksempel Nevron svart minste fragmenter i test (1-1,5 °).
Figur 1. Parieto frontal nettverk involvert i visuelt objekt behandling og motor planlegging og gjennomføring. Bakre parietal området AIP prosjekter til områdene PFG, 45B og F5a, og deretter til F5p, M1 og til slutt til ryggmargen.
Figur 2. Beslutningstreet til testing objektet selektivitet: eksperimentell protokollen som brukes til å teste visuomotor svar våre neuronal bestander. VGG oppgaven kan bli etterfulgt av en MGG eller en visuell aktivitet (passiv fiksering). To forskjellige passiv fiksering aktiviteter kan bli vurdert avhengig av regionen rundt: passive fiksering av virkelige verden objekter og passiv fiksering av 2D-bilder av objekter. Primas visuomotor systemet har utviklet seg til å støtte manipulering av virkelige objekter, ikke bilder av objekter6,13 og derfor er det spådd at disse områdene med en motor dominerende komponent vil være betydelig mer lydhør for visjonen om ekte, graspable objekter. Imidlertid kan figur selektivitet bare bli undersøkt i detalj ved hjelp av en reduksjon tilnærming som lettere kan gjennomføres med bilder av objektene. I aktiviteten 2D passiv fiksering betyr et positivt svar (angir visual selektivitet bildene av objektene) at det er mulig å avgrense neuronal svaret ytterligere. Dette fører oss til å kjøre en ny eksperimentelle aktivitet utforske lavere nivået funksjonene i stimulans. Derimot angir et negativt svar slutten av eksperimentet.
Figur 3. Visuomotor oppsett. (A). karusellen oppsett. Venstre panel: karusell design (usynlig til monkey). Høyre panel: detalj av karusellen platen viser objektet å-være-grep og monkey hånd nærme seg. Med en loddrett roterende karusell som inneholder opptil seks objekter, kan vi presentere ulike objekter monkey. (B). Robot oppsett. Venstre panel: foran visning av roboten. Høyre panel: detalj av de fire ulike objektene presentert av roboten (små/store plate; små/store sfære). En andre og mer avansert måte å presentere objekter under én celle innspillinger er ved hjelp av en kommersiell robotarm utstyrt med en gripper. For A og B, hendelsesforløpet er identiske i visuelle fiksering med unntak at i karusellen stilling, objektet blir opplyst ovenfra og i robot oppsettet objektet lyser innenfra. I forståelse fase forskjellig oppgaven litt. Mens i karusellen stilling, gå stikkordet er angitt med dimming av laser; i robot stilling slår fiksering LED av helt. En annen forskjell refererer til spesifikk funksjonalitet av både oppsett. Mens karusellen oppsettet kan brukes hovedsakelig til å teste objektet selektivitet i en unik posisjon i visuelle rommet, med robot stilling, kan vi programmere avstanden som objektet å-være-grep presenteres, plasseringen i frontoparallel flyet, eller selv indusere forstyrrelser i objektorientering under fatte (f.eks en rapid 45 ° rotasjon av objektet i fasen for nå). Begge systemene kan presentasjonen av ulike objekter med ulike fatte egenskaper (størrelse, volum, etc.), som krever ulike fatte strategier (power grep versus presisjon grep). (C). eksempel på en VGG oppgave (karusellen setup). 1. fiksering: I vår karusellen VGG oppgave, monkey plasseres kontralateral hånden på en hvile posisjon enhet å starte sekvensen. Deretter er en laser projisert på den objekt-å-være-grep, som fortsatt er i totalt mørke. 2. lys på: Hvis dyret har stabil fiksering rundt et elektronisk definerte vindu rundt objektet for en bestemt varighet, objektet er opplyst av en ekstern lyskilde (visuell fase av oppgaven). Endelig, etter en variabel forsinkelse laser mørkere jobber som en visuell indikasjon på farten og indikerer til monkey å starte fatte bevegelsen. Dyr blir belønnet for å nå fatte og løfte objektet (oppdaget av fiberoptiske kabler).
Figur 4. Visuelle stimuli. (A). eksempel på stimulans settet brukes til å vurdere visuelle form selektivitet. (B). fra overflaten originalbildene i A vi produserer gradvis forenklede versjoner av visuelle stimuli (3D overflater, 2D overflater, silhuetter, disposisjoner og fragmenter). Ved å dele disposisjonen i mindre segmenter, søke vi for den minst effektive form funksjonen (MESF) fremkaller visuelle selektivitet.
Figur 5. VGG oppgaven testet med robot oppsett (robot oppsettet i figur 3B). Vi presentert fire ulike objekter i samme posisjon i dybden: stor kule (øverst til venstre), stor plate (nederst til venstre), liten plate (nederst til høyre) og små sfæren (øverst til høyre). Nevrale respons justeres til lys utbruddet i objektet (bin størrelsen på 20 ms).
Figur 6. AIP Nevron spilt inn med VGG (fatte på karusellen) og passiv fiksering oppgaver. (A). aktivitet under fatte. Peristimulus-tid histogrammet viser responsen på en AIP Nevron (nevrale respons justert til lys utbruddet objektet). (B). visuelle svar av samme Nevron når testet med et bredt sett av 2D-bilder av virkelige verden objekter, inkludert et bilde av objektet å-være-grep (i to forskjellige retninger: vannrett versus loddrett). (C). mottakelig felttilordning. 2D interpolert kart som representerer til gjennomsnittlig svartid foretrukne (venstre) og nonpreferred (høyre) stimuli for Nevron i A og B når testet med 3° bilder av objekter. For å bygge kartene, vi kvantifisert netto neuronal svaret (ved å trekke den opprinnelige aktiviteten) på 35 forskjellige posisjoner på skjermen (angitt ved veikryssene på stiplet rutenettlinjene; [0,0]: sentral posisjon; + 6 ° asimut: kontralateral), linjeavstand 2 ° fra hverandre og dekker både ipsi- og kontralateral visuelle hemifields. Farge angir styrken av neural response (varierer mellom 0 og maksimal svaret i cellen). (D). farge treet handlingen representerer de normaliserte netto svarene (skyte rate minus planlagt aktivitet) av samme Nevron som figur 6AC på den foretrukne og nonpreferred stimulans (konturene av foretrukne og nonpreferred) i standard reduksjon test (reduksjon test med fragmenter på stillingen på originalfiguren disposisjon, 4-fragment stimuli, første rad, 8-fragment stimuli, andre rad, 16-fragment stimuli, tredje rad). Fargen i hver sirkel angir svar omfanget (1 = 28 toppene/s).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
En helhetlig tilnærming til studiet av dorsal krever et nøye utvalg av atferdsmessige oppgaver og visuelle tester: visuell og fatte paradigmer kan brukes kombinert eller separat avhengig av spesifikke egenskaper for regionen.
I denne artikkelen vi gi eksempler på neural aktiviteten registrert i både AIP og F5p svar på et delsett av visuelle og motor, men ligner svar kan observeres i andre frontal områder som området 45B og F5a.
Vi foreslår to eksperimentelle oppsett for å undersøke nevrale representasjon av objektene under fatte. Med en loddrett roterende karusell (figur 3A) som inneholder opptil seks objekter, kan vi presentere ulike objekter monkey. Den roterende karusellen tillater presentasjon av ulike objekter (ulik form, størrelse, volum, etc.), som krever ulike fatte strategier (power grep versus presisjon grep).
En andre og mer avansert måte å presentere objekter under én celle innspillinger er en kommersiell robotarm og gripper (figur 3B). I dette tilfellet starter roboten rettssaken ved å gripe et objekt (figur 3B) og flytte den til en bestemt posisjon i rommet i totalt mørke, mens monkey's hånd forblir på hvile posisjon. Utenom dette er sekvensen av hendelser identiske i de to oppsettene. Bruk av en robot kan imidlertid et bredt manipulering av eksperimentelle parametere (avstand som objektet presenteres, posisjon i frontoparallel flyet eller retningen for objektet). Til slutt, som vist i det høyre panelet i figur 3B, roboten kan også programmert å forstå ulike objekter (plate og kule i vårt tilfelle).
Denne eksperimentelle kan bestemme funksjonene objektet kjører visuomotor nerveceller som svarer til objektet observasjon under fatte. Denne tilnærmingen har imidlertid også begrensninger. Med hver test, noen neurons utelukkes fra ytterligere testing (f.eks ingen svar å bilder av objektene, ingen kontur selektivitet), slik at konklusjonene i eksperimentet kan bare gjelder et delsett av alle neurons viser aktivitetsrelatert aktivitet under fatte. Men i våre tidligere studier8, det store flertallet (83%) av neurons viser visuelt Svar å objekt observasjon under fatte svarer også selektivt til bilder av objektene, og det store flertallet av de sistnevnte nervecellene (90%) ble likeledes selektiv for Arbeidsprofil versjoner av disse bildene. Derfor kan våre testing protokollen være passende for en svært stor andel av alle visuelt forståelsesfull neurons i parietal og frontal cortex.
Noen visuomotor neurons, i flere motor-relatert subsectors i frontal cortex som området F5p, kan bare svare på objekter i sammenheng med en grasping aktivitet og aldri svare på bildene objekter (selv med kikkert misforhold) presentert på en vise. Vi kan likevel undersøke egenskapene til denne subpopulasjon av neurons bruker roboten. Med dette eksperimentelle oppsettet vi kan presentere objektene på ulike steder i frontoparallel flyet under passiv fiksering (analog til en RF test), på forskjellige 3D retninger og på ulike avstander fra dyret, og vi kan kombinere saccadic øye bevegelser mot objektet med fatte21-objektet.
Vår intensjon er ikke å gi en enkel eller stive eksperimentelle protokoll for studier av parieto frontal nerveceller, men understreke nødvendigheten av en omfattende og dynamisk tilnærming, aktiviteter og tester spesielt utformet for neurons under studien. Om visuelle selektivitet, for eksempel kan våre protokollen være enkelt tilpasses for studier av andre visuelle egenskaper av neurons å svare på objekter. For eksempel fulgte vi en svært lik tilnærming når undersøke 3D selektivitet i F5a12 og AIP neurons13 under fatte. Vi også kombinert fatte gjennomføring og detaljerte visuelle testing med videoer av handlinger når undersøke handling observasjon svarene i AIP22. På samme måte, kan mange andre eksperimentelle oppgaver, ikke inkludert her, også legges til våre protokollen avhengig av vitenskapelige spørsmålet tas. Dette omfatter studiet av både rent fysiske egenskapene til stimulans (f.eks stimulans størrelse) og kognitive aspekter som stimulans kjennskap23 eller biologiske relevans (preferanse for figurer som er biologisk relevante for eksempel ansikter24).
Videre studier i disse områdene vil gi en bedre forståelse av nettverk og vil tillate oss å avgrense hvilke protokoller som skal brukes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Vi takker Inez Puttemans, Marc De Paep, Sara De Pril, Wouter Depuydt, Astrid Hermans, Piet Kayenbergh, Gerrit Meulemans, Christophe Ulens og Stijn Verstraeten for teknisk og administrativ hjelp.
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).
