Summary
Ett detaljerat protokoll att analysera objektet selektivitet av parieto-frontal nervceller inblandade i visuomotor transformationer presenteras.
Abstract
Tidigare studier har visat att nervceller i parieto-frontal områden av hjärnan som makak kan vara mycket selektiv för verkliga objekt, skillnad-definierade krökta ytor och bilder av verkliga objekt (med och utan skillnad) på ett liknande sätt som beskrivs i den ventrala visuella strömmen. Dessutom tros parieto-frontal områden att konvertera information visuella objekt till lämplig motor utgångar, såsom pre utformningen av handen under greppa. För att bättre karaktärisera objekt selektivitet i kortikala nätverk involverade i visuomotor transformationer, tillhandahåller vi ett batteri av tester avsedda att analysera visuella objekt selektivitet av nervceller i parieto-frontala regioner.
Introduction
Mänskliga och icke-mänskliga primater dela kapacitet utför komplexa motoriska åtgärder inklusive objektet greppa. För att kunna utföra dessa uppgifter, behöver vår hjärna för att slutföra omvandlingen av inneboende objektegenskaper till motoriska kommandon. Denna omvandling är beroende av ett sofistikerat nätverk av dorsala kortikala områden som ligger i parietala och ventrala premotor cortex1,2,3 (figur 1).
Från lesionen studier på apor och människor4,5vet vi att den dorsala visuella stream - med ursprung i primära syncentrum och riktad mot bakre parietala cortex - är inblandade i både rumslig vision och planering av motor åtgärder. Men ägnas majoriteten av dorsala stream områden inte åt en unik typ av bearbetning. Exempelvis innehåller det främre intraparietal området (AIP), en av områdena slutet skede i den dorsala visuella strömmen, en mängd nervceller som brand inte bara under greppa6,7,8, utan också under visuellt inspektion av objektet7,8,9,10.
Liknar AIP, nervceller i området F5, ligger i den ventrala premotor cortexen (PMv), också svara under visuell fixation och objektet greppa, som kommer vara viktiga för omvandlingen av visuell information till motoriska handlingar11. Den främre delen av denna region (undersektor F5a) innehåller neuroner svarar selektivt till tredimensionella (3D, skillnad-definierade) bilder12,13, medan undersektorn ligger i konvexitet (F5c) innehåller neuroner kännetecknas av spegel boenden1,3, skjuter båda när ett djur utför eller har påpekat en åtgärd. Regionen för bakre F5 (F5p) är slutligen ett hand-relaterade fält, med en hög andel av visuomotor nervceller lyhörda för både observation och greppa 3D objekt14,15. Bredvid F5, området 45B, beläget i den underlägsna ramus av arcuatus sulcus, kan också vara inblandade i både formen bearbetning16,17 och gripa18.
Testa objekt selektivitet i parietala och frontala cortex är utmanande, eftersom det är svårt att avgöra vilka funktioner som dessa nervceller svara på och vad de receptiva fälten av dessa nervceller är. Om en neuron svarar till en tallrik men inte till en kon, som funktion av dessa objekt till exempel driver denna selektivitet: 2D kontur, 3D-strukturen, med orientering i djup eller en kombination av många olika funktioner? För att bestämma de kritiska objekt funktionerna för nervceller som svarar under objektet fixering och greppa, är det nödvändigt att anställa olika visuella tester med bilder av föremål och minskad versioner av samma bilder.
En ansenlig del av nervceller i AIP och F5 svarar inte bara på den visuella presentationen av ett objekt, utan även när djuret griper detta objekt i mörker (dvs. i avsaknad av visuell information). Sådana nervceller kan inte svara på en bild av ett objekt som inte kan gripas. Därav, visuell och motorisk komponenterna i svaret är nära sammankopplad, vilket gör det svårt att utreda den neuronala objekt representationen i dessa regioner. Sedan visuomotor nervceller kan endast testas med verkliga objekt, behöver vi ett flexibelt system för att presentera olika objekt på olika positioner i synfältet och olika inriktningar om vi vill bestämma vilka funktioner är viktiga för dessa neuroner. Den senare kan endast uppnås med hjälp av en robot som kan presentera olika objekt på olika platser i visuella rymden.
Denna artikel avser att ge en experimentell guide för forskares studier av parieto-frontal nervceller. I följande avsnitt kommer vi ge det allmänna protokoll som används i vårt laboratorium för analys av gripande och visuella objekt svaren i vaken Makaker apor (Macaca mulatta).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alla tekniska förfaranden utfördes enligt National Institute of Health's Guide för skötsel och användning av laboratoriedjur och EU-direktiv 2010/63/EU och godkändes av den etiska kommittén i KU Leuven.
1. allmänna metoder för extracellulära inspelningar i vaken beter sig apor
- Träna djuren att utföra visuell och motorisk krävs att din specifika forskningsfrågan. Se till att djuret kan flexibelt växla mellan aktiviteter under samma inspelningssession för att testa neuron i stor utsträckning och få en bättre förståelse av de funktioner som kör den neural responsen (figur 2-3).
- Träna djuret i Visually-Guided greppa (VGG, greppa 'i ljuset') att utvärdera de visuomotor komponenterna i svaret. Obs: självständigt från uppgiften valt, gradvis begränsa vätskeintaget minst tre dagar före starten av träningsfasen.
- Hindra apans chef för hela den experimentella sessionen.
- I den första sessioner, Håll handen kontralaterala till inspelning kammaren vid vilande position och hjälpa djuret att nå och förstå objektet, vilket ger manuell belöning efter varje försök.
- Placera tillbaka apans hand om vilande ställning i slutet av varje prövning.
- Varje några prövningar, släpp av apan hand och vänta några sekunder för att observera om djuret initierar rörelsen spontant.
- Gäller manuell belöning när apan når mot objektet.
- När den når fasen förvärvas korrekt, hjälpa djuret att lyfta (eller dra) objektet och belöning manuellt.
- 1.1.1.4 och 1.1.1.5, släpp apans hand och vänta några sekunder för att observera om djuret initierar rörelsen spontant. Belöna när rörelsen utförs korrekt.
- Korrigera nå, räcka position och handled orientering så många gånger som behövs under förfarandet.
- Upprepa stegen ovan tills djuret utför sekvensen automatiskt.
- Ladda den automatiska uppgiften. Djuret blir belönad automatiskt när den utför reach och grepp rörelser under en förutbestämd tid.
- Gradvis öka innehavet tiden för objektet.
- Introducera lasern som projekten fixering peka på basen av objektet. Lägg sedan eye tracker för att övervaka den öga positionen runt de objekt-till-vara-förstått.
- Träna djuret i Memory-Guided greppa (MGG) att undersöka komponenten motor i svaret, inte påverkas av den visuella delen av stimulans.
- Hindra apans huvud.
- Gör på samma sätt som beskrivs för den VGG att se till att djuret upprätthåller fixering på laser under uppgiften inom en elektroniskt definierade fönster. Denna version av uppgiften slocknar ljuset i slutet av perioden fixering.
- Träna apan i passiv fixering att hantera visuella lyhördhet och form selektivitet.
- Hindra apans huvud.
- Presentera de visuella stimuli apan med antingen en CRT (passiv fixering av 3D stimuli) eller en LCD-monitor (passiv fixering av 2D stimuli).
- Presentera en fixering fläck i mitten av skärmen ovanpå de visuella stimuli.
- Belöna djuret efter varje presentation av stimulans och öka gradvis räntebindningstiden tills nå normerna i uppgiften.
- Träna djuret i Visually-Guided greppa (VGG, greppa 'i ljuset') att utvärdera de visuomotor komponenterna i svaret. Obs: självständigt från uppgiften valt, gradvis begränsa vätskeintaget minst tre dagar före starten av träningsfasen.
- Operera, använda sterila verktyg, draperier och kappor.
- Söva djuret med ketamin (15 mg/kg, intramuskulärt) och Medetomidin hydroklorid (0,01-0,04 mL/kg intramuskulärt) och bekräfta anestesi regelbundet genom att kontrollera djurets svar på stimuli, hjärtfrekvens, respiration klassar och blod trycket.
- Upprätthålla narkos (propofol 10 mg/kg/timme intravenöst) och administrera syrgas med en trakeal röret. Använda en lanolim-baserad salva för att förhindra torra ögon medan under narkos.
- Ge smärtlindring med 0,5 cc av buprenorfin (0,3 mg/ml intravenöst). Vid ökning av hjärtfrekvensen under operation, kan en extra dos ges.
- Implantera en MRI kompatibel huvud inlägg med keramiska skruvar och dental akryl. Utföra alla överlevnad operationer under strikt aseptiska förhållanden. För en adekvat underhåll av det sterila fältet, använda engångs sterila handskar, masker och sterila instrument.
- Vägledas av anatomiska magnetisk resonanstomografi (MRI; Horsley-Clark koordinater), gör en kraniotomi ovanför området av intresse och implantat inspelning kammaren på apans skallen. Använda en standard inspelning kammare för enhet extracellulära inspelningar eller en multielectrode microdrive, för samtidig inspelning av flera nervceller.
- Efter operationen, avbryta intravenös administrering av propofol tills spontan andning meritförteckningar. Inte lämna djuret utan uppsikt tills det har återfått medvetandet och införa djuret i den sociala gruppen först efter fullständig återhämtning.
- Ge postoperativ analgesi som rekommenderas av den institutionella veterinären. Använd till exempel meloxikam (5mg/ml intramuskulärt).
- Vänta 6 veckor efter operationen innan experimentet. Detta tillåter en bättre förankring av huvudet inlägget skalle och garantier som djuret har återhämtat sig helt från ingripande.
- Lokalisera området inspelning med MRI (för enhet extracellulära inspelningar) och datortomografi (CT; för multielectrode inspelningar).
- Fyll glas kapillärer med en 2% kopparsulfat lösning och infoga dem i ett inspelning rutnät.
- Utföra strukturella MRI (skiva tjocklek: 0,6 mm).
- Övervakning av neural aktivitet.
- Använd volfram mikroelektroder med en impedans på 0,8 – 1 MΩ.
- Infoga elektroden genom dura använder en 23G rostfritt stål guide tub och en hydraulisk microdrive.
- För spike diskriminering, förstärker och filtrerar den neural aktiviteten mellan 300 och 5000 Hz.
- För lokala potentiella (LFP) fältinspelningar, förstärka och filtrera signalen mellan 1 och 170 Hz.
- Övervaka signalen öga
- Justera en infraröd kamera framför djurets ögon att erhålla en adekvat bild av eleven och korneal reflexen.
- Använda en IR-baserade kamera att ta prov av eleven ståndpunkt vid 500 Hz.
2. undersöka objektet selektivitet i dorsala områden
- Utföra visuellt-guidad gripa (VGG).
- Välja rätt gripa inställningar beroende på målet med forskning: karusell eller robot-installationen (figur 3).
- För den carousel setup, köra uppgiften VGG:
- Låt apan placera handen kontralaterala till inspelade halvklotet i vilande position i komplett mörker att initiera sekvensen.
- Efter en variabel tid (intertrial intervall: 2000-3000 ms), tillämpa en röd laser (fixering punkt) vid basen av objektet (avstånd: 28 cm från aporna ögon). Om djuret upprätthåller sin blick inuti ett elektroniskt definierade fixering fönster (+/-2,5 °) för 500 ms, belysa objektet från ovan med en ljuskälla.
- När en variabel fördröjning (300-1500 ms), programmera en nedtoning av laser (visual GO cue) instruerar apan att lyfta handen från viloläge och reach, greppa och hålla objektet i en variabel intervall (holding tid: 300-900 ms).
- När djuret utför hela sekvensen korrekt, belöna den med en droppe juice.
- Använda en liknande uppgift sekvens för inställningen av robot.
- När det gäller den carousel setup, låt apan placera handen kontralaterala till inspelade halvklotet i vilande position i komplett mörker att initiera sekvensen.
- Efter en variabel tid (intertrial intervall: 2000-3000 ms), tänds lampan (fixering punkt) på objektet (inifrån; avstånd: 28 cm från aporna ögon). Igen, om djuret upprätthåller sin blick inuti ett elektroniskt definierade fixering fönster (+/-2,5 °) för 500 ms, belysa objektet från inom med en vit ljuskälla.
- Efter en variabel fördröjning (300-1500 ms), stänga av LED (visual GO cue), instruera apan att lyfta handen från viloläge och reach, greppa och hålla objektet i en variabel intervall (holding tid: 300-900 ms).
- När djuret utför hela sekvensen korrekt, belöna den med en droppe juice.
- Under uppgiften, kvantifiera prestanda för apan, att särskilt uppmärksamma tidpunkten. Mått både tid som förflutit mellan go-signalen och uppkomsten av den hand-rörelsen (reaktionstid) och mellan början av rörelsen och hissen för objektet (gripa tid).
- Utföra minne-guidad gripa (MGG; 'Gripa i mörkret'). Använda MGG uppgiften för att avgöra om nervceller är visuomotor eller motor-dominerande.
Obs: Sekvensen är liknar den som beskrivits för VGG, men objektet är förstått i totalt mörker.- Identisk med aktiviteten VGG, låt apan placera handen kontralaterala till inspelade halvklotet i vilande position i komplett mörker att initiera sekvensen.
- Efter en variabel tid (intertrial intervall: 2000-3000 ms), tillämpa en röd laser/LED (fixering punkt) för att ange fixering (på basen av objektet för den carousel setup, i mitten av objektet för robot inställningar; avstånd: 28 cm från aporna ögon) . Om djuret upprätthåller sin blick inuti ett elektroniskt definierade fixering fönster (+/-2,5 °) för 500 ms, belysa objektet.
- Efter en fast tid (400 ms), Stäng av ljuset.
- Efter en variabel fördröjning perioden (300-1500 ms) efter ljus offset, dim/Stäng av den fixering punkten (gå CUE) för att instruera apan att lyfta de hand och reach, grepp och hålla objektet (holding tid: 300-900 ms).
- När djuret utför hela sekvensen korrekt, ge en droppe juice som en belöning.
- Utföra passiva fixering. När det gäller VGG uppgiften, välja den lämpligaste setup (karusell eller robot setup) beroende på syftet med forskningen.
Obs: Två olika passiva fixering uppgifter kan utföras: passiv fixering av verkliga objekt (med hjälp av objekt-till-vara-förstått i karusellen och robot uppställningar) och passiv fixering av 3D/2D bilder av föremål.- Utföra passiva fixering av verkliga föremål.
- Visa fixering (röd laser för carousel inställningar projiceras på basen av objektet och röd LED i robot setup).
- Om djuret upprätthåller sin blick inuti ett elektroniskt definierade fixering fönster (+/-2,5 °) för 500 ms, belysa objektet för 2,000 ms.
- Om djuret upprätthåller sin blick i fönstret för 1000 ms, belöna den med en droppe juice.
- Utföra passiva fixering av 3D/2D bilder av föremål.
- Presentera alla visuella stimuli på en svart bakgrund (luminans 8 cd/m2) med en bildskärm (upplösning på 1 280 × 1 024 pixlar) utrustad med en snabb-decay P46-fosfor och drivs på 120 Hz (läsavstånd: 86 cm).
- I 3D testerna, presentera stimuli stereoscopically av omväxlande vänster och höger öga bilder på en skärm (CRT monitor), i kombination med två ferroelektrisk flytande kristall fönsterluckor. Leta upp dessa luckor framför apans ögon, fungera vid 60 Hz och synkronisera till den vertikala retrace av bildskärmen.
- Starta rättegång genom att presentera ett litet torg i mitten av skärmen (fixering point; 0,2 ° × 0,2 °). Om ögat ställning förblir inom ett elektroniskt definierade 1° fyrkantiga fönster (mycket mindre än för verkliga objekt) för minst 500 ms, presentera den visuella stimulansen på skärmen, för en sammanlagd tid av 500 ms.
- När apan upprätthåller en stabil fixering tills stimulans offset, belöna den med en droppe juice.
- För en adekvat studie av formen selektivitet, kör ett omfattande batteri av tester med 2D-bilder under passiva fixering uppgift, i följande ordning.
- Kör ett test för Sök. Testa visual selektivitet till cellen med en bred uppsättning bilder (surface bilder; Figur 4A), inklusive bilder av objektet som är förstått i VGG. För detta och alla efterföljande synuppgifter, jämföra bilden frammana den starkaste svar (kallas 'föredrog bild') till en andra bild som neuron svarar svagt (kallas ' används bild'). Om neuron under studien svarar också på bilder av objekt, söka efter specifika stimulans komponenter körning cellens lyhördhet (Contour test, mottaglig fälttest och minskning test).
- Kör en Contour test. Från de ursprungliga ytan bilderna av verkliga föremål (2D eller 3D bilder som innehåller textur, skuggning och perspektiv), få successivt förenklade versioner av samma stimulans form (silhuetter och konturer; Figur 4B). Samla minst 10 prövningar per tillstånd för att avgöra om neuron föredrar den ursprungliga ytan, silhuett eller dispositionen från den ursprungliga formen.
- Kör en receptiva fält (RF) test. Om du vill mappa RF av en neuron, presentera bilder av objekt på olika positioner på en display (i detta experiment, 35 positioner; stimulans storleken på 3°), som omfattar de centrala synfält19,20. Samla in tillräckligt stimulus repetitioner på alla möjliga positioner inom rimlig tid, minska stimulans varaktigheten (blixtrade stimuli; stimulans varaktighet: 300 ms, intertrial intervall: 300 ms).
- Kör en minskning test. Kör en minskning test med contour fragment presenteras i mitten av RF att identifiera den minst effektiva form funktion (MESF). Generera en uppsättning stimuli i Photoshop genom att beskära konturen av varje kontur originalformerna längs de viktigaste transportlederna (figur 3B). Design MESF som den minsta form fragment frammana ett svar som är minst 70% av intakt disposition svar och inte betydligt mindre än att svar8.
- För en bättre uppskattning av position beroende (effekten av stimulans position på fragmentet selektivitet), köra två olika tester. Kör en minskning Test med fragment ligger på den positionen som upptas i den ursprungliga disposition formen. Kör en minskning Test med fragment på centrum av massan i formen.
- I detta skede, kör en ny RF-mappning med MESF.
- Utföra passiva fixering av verkliga föremål.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 5 tomter svaren från en exempel neuron inspelade från området F5p testade med fyra objekt: två olika former - en sfär och en tallrik-visas i två olika storlekar (6 och 3 cm). Detta särskilt neuron svarade inte bara till den stora sfären (optimal stimulans; övre vänstra panelen), men också till stora plattan (nedre vänstra panelen). I jämförelse, svaret på de mindre objekten var svagare (övre och nedre höger paneler).
Figur 6 visar ett exempel neuron registreras i AIP testas under både VGG och passiv fixering. Detta neuron var inte lyhörd endast under greppa (VGG aktivitet, panel A) men också att den visuella presentationen av 2D bilder av objekt som presenteras på en skärm (passiv fixering inklusive bilden av de objekt som används i gripande uppgiften; Figur 6B). Observera att den föredragna stimulansen i passiv fixering uppgift inte är nödvändigtvis de objekt-till-vara-förstått, men en annan 2D bild som djuret har ingen tidigare erfarenhet av gripa (tangerine). Figur 6 c visar RF i den här cellen när den testas med rekommenderad och används bilden. Ett exempel på de svar som erhållits i testet minskning visas i figur 6 d. Detta exempel neuron besvarade de minsta fragment i testet (1-1.5°).
Figur 1. Parieto-frontal nät visuellt objekt bearbetning och motor planering och genomförande. Bakre parietala området AIP projekt till områden PFG, 45B och F5a, och sedan till F5p, M1 och slutligen till ryggmärgen.
Figur 2. Beslutsträd för testning objekt selektivitet: experimentellt protokoll används för att testa visuomotor svaren i vår neuronala populationer. VGG uppgiften kan följas av antingen en MGG eller en visuell aktivitet (passiv fixering). Två olika passiva fixering uppgifter kan anses vara beroende på region av intresse: passiv fixering av verkliga objekt och passiv fixering av 2D-bilder av objekt. Primas visuomotor systemet har utvecklats för att stödja manipulering av riktiga objekt, inte bilder av objekt6,13 och därför det förutspås att regioner med en motor dominerande komponenten kommer att vara betydligt mer lyhörd för visionen om verkliga, greppbar objekt. Form selektivitet kan dock endast utforskas i detalj med en minskning metod, som lättare kan genomföras med bilder av objekt. I 2D passiva fixering uppgiften betyder ett positivt svar (anger visuell selektivitet till bilderna av objekten) att det är möjligt att förfina den neuronala Svaren ännu längre. Detta leder oss att köra en ny experimentell uppgift att utforska lägre nivå funktioner i stimulans. Däremot indikerar en negativ reaktion slutet av experimentet.
Figur 3. Visuomotor uppställningar. (A). karusell setup. Vänstra panelen: karusell design (osynlig till APA). Högra panelen: detaljerna i karusellen plattan visar objektet att-vara-förstått och monkey Handen närmar sig den. Med en vertikal roterande karusell som innehåller upp till sex objekt, kan vi presentera olika objekt till APA. (B). Robot setup. Vänstra panelen: framifrån av robot installationen. Högra panelen: i detalj av de fyra olika objekt som presenteras av roboten (liten/stor platta, små/stora sfär). En andra och mer sofistikerade sätt att presentera objekten under encelliga inspelningar är med hjälp av en kommersiell robotarm utrustad med en gripper. För A och B, händelseförloppet är identiska under visuell fixation med det undantaget att i karusellen setup, objektet blir belysta från ovan och i robot setup objektet är upplyst inifrån. I fasen grepp avviker uppgiften något. Medan i karusellen setup, gå CUE indikeras genom den mörkläggning av laser; i robot setup stängs fixering LED av helt. En annan skillnad avser båda uppställningar specifika funktion. Medan den carousel setup kan användas främst att testa objekt selektivitet vid en unik position i visuella rymden, med robot setup, kan vi programmera avståndet som objektet att-vara-förstått presenteras, positionen i det frontoparallel planet, eller ens inducerar störningar i objektorientering under greppa (t.ex. en snabb 45 ° rotation av objektet under når fas). Båda systemen kan presentationen av olika target-objekt med olika gripande egenskaper (storlek, volym, etc.), som kräver olika gripande strategier (Powergrip kontra precision-grepp). (C). exempel på en VGG uppgift (carousel setup). 1. fixering: I vår karusell VGG uppgift, apan förlägger dess kontralaterala hand på en vilande position enhet att initiera sekvensen. Nästa, en laser projiceras på den objekt-till-vara-förstått, som fortfarande är i totalt mörker. 2. ljus på: om djuret upprätthåller stabil fixering runt ett elektroniskt definierade fönster kring objektet för en viss varaktighet, objektet belyses med en extern ljuskälla (visual fas av uppgiften). Slutligen, efter en variabel fördröjning, laser släcks, arbetar som en visuell GO cue och som anger att apan att initiera gripa rörelsen. Djuret belönas för att nå, greppa och lyfta objektet (upptäcks av fiberoptiska kablar).
Figur 4. Visuella stimuli. (A). exempel på stimulans som används att bedöma visuella formen selektivitet. (B). från ytan originalbilderna i A, vi producerar successivt förenklade versioner av de visuella stimuli (3D-ytor, 2D ytor, silhuetter, konturer och fragment). Genom att dividera dispositionen i mindre segment, söka vi för den minst effektiva form funktion (MESF) frammana visuella selektivitet.
Figur 5. VGG uppgift testas med robot setup (robot setup i figur 3B). Vi presenteras fyra olika objekt på samma position i djup: stor sfär (övre vänstra), stor tallrik (nederst till vänster), liten skylt (nederst till höger) och små sfär (överst till höger). Neuronala svaret är justerad till ljus debut i objektet (bin storlek 20 ms).
Figur 6. AIP neuron inspelade med VGG (gripa på karusellen) och passiv fixering uppgifter. (A). aktivitet under greppa. Peristimulus-tid histogram visar svaret av en AIP neuron (neuronala svar anpassas till ljus debut på objektet). (B). visuella svar av samma neuron när den testas med en bred uppsättning 2D bilder av verkliga objekt, inklusive en bild av objektet att-vara-förstått (i två olika inriktningar: horisontell kontra vertikal). (C). mottaglig fältmappning. 2D interpolerade kartor som representerar den genomsnittliga svaren på de önskade (vänster) och används (höger) stimuli för neuron i A och B när testade med 3° bilder av föremål. För att bygga kartor, kvantifierade vi netto neuronala svaret (genom att subtrahera aktiviteten baslinjen) erhålls på 35 olika positioner på skärmen (indikeras av genomskärningarna av de streckade linjerna; [0,0]: centralt läge; + 6 ° azimuth: kontralaterala), fördelade 2 ° isär och täcker såväl ipsi - som kontralateral visuella hemifields. Färgen anger styrkan i neurala svaret (varierande mellan 0 och maximal respons av cellen). (D). färg tree plot som representerar de normaliserade netto svar (bränning ränta minus baseline aktivitet) av samma neuron som i figur 6A-C på Rekommenderad och används stimulus (skisserar av Rekommenderad och används bilden) i testet standard nedsättning (minskning test med fragment ligger vid position upptas vid den ursprungliga disposition formen 4-fragment stimuli, första raden 8-fragment stimuli, andra raden; 16-fragment stimuli, tredje raden). Färg i varje cirkel anger svar omfattningen (1 = 28 spikar/s).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
En övergripande strategi för studiet av dorsala strömmen kräver ett noggrant urval av beteendemässiga uppgifter och visuella tester: visuella och gripa paradigm kan användas antingen kombinerade eller separat beroende på de specifika egenskaperna i regionen.
I denna artikel, ger vi exempel på neurala aktiviteten registreras i både AIP och F5p som svar på en delmängd av visuella och motoriska aktiviteter, men mycket lik Svaren kan observeras i andra frontala områden såsom området 45B och F5a.
Vi föreslår två försöksuppställningar för att undersöka en neurala representation av objekt under greppa. Med en vertikal roterande karusell (figur 3A) som innehåller upp till sex objekt, kan vi presentera olika objekt till APA. Roterande karusellen tillåter presentation av olika målobjekt (skiljer sig i form, storlek, volym, etc.), som kräver olika gripande strategier (Powergrip kontra precision-grepp).
En andra och mer sofistikerade sätt att presentera objekt under encelliga inspelningar är med hjälp av en kommersiell robotarm och gripdon (figur 3B). I det här fallet initierar roboten rättegången genom greppa ett objekt (figur 3B) och flytta den till en specifik position i rymden i totalt mörker, medan apans hand förblir vilande ställning. Förutom detta är sekvensen av händelser identiskt i två uppställningar. Användning av en robot ger dock en bred manipulation av experimentella parametrar (avstånd som objektet presenteras, position i frontoparallel planet, eller orientering på objektet). Slutligen, som visas i den högra panelen av figur 3B, roboten kan även programmeras att förstå olika objekt (plattan och sfär i vårt fall).
Detta experimentella tillvägagångssätt tillåter att fastställa objekt funktioner körning visuomotor nervceller som reagerar på objektet observationen under greppa. Detta tillvägagångssätt har dock begränsningar. Med varje test, vissa nervceller kommer att uteslutas från ytterligare tester (t.ex. inga svar till bilderna av objekten, ingen kontur selektivitet), så att slutsatserna från experimentet kan endast avser en delmängd av alla de nervceller som visar aktivitetsrelaterad aktivitet under greppa. Men i våra tidigare studier8, den stora majoriteten (83%) av nervceller som visar visuella Svaren till objektet observationen under greppa också svarar selektivt på bilder av objekt, och den stora majoriteten av de sistnämnda nervcellerna (90%) var även selektivt för contour versioner av dessa bilder. Vårt test protokoll kan därför lämplig för en mycket stor andel av alla visuellt lyhörd neuroner i parietala och frontala cortex.
Vissa visuomotor nervceller, troligen i mer motor-relaterade undersektorer i främre hjärnbarken såsom området F5p, kan bara svara på objekt i samband med en gripande uppgift och svara aldrig på bilderna av objekten (även med kikare skillnad) presenteras på en displayen. Vi kan ändå undersöka egenskaperna för denna subpopulation av nervceller använda roboten. Med denna experimentella inställning, vi kan presentera objekt på olika platser i frontoparallel plan under passiva fixering (analogt med ett RF-test), på olika 3D inriktningar och på olika avstånd från djuret, och vi kan kombinera saccadic öga rörelser mot objektet med objektet greppa21.
Vår avsikt är inte att tillhandahålla en enda eller styv experimentellt protokoll för studier av parieto-frontal nervceller, men att understryka nödvändigheten av en omfattande och dynamiskt synsätt, med de uppgifter och tester som utformats speciellt för nervceller under studien. Angående visuell selektivitet, exempelvis kan våra protokoll lätt anpassas för studier av andra visuella egenskaper av nervceller som svarar på objekt. Exempelvis följde vi en mycket liknande tillvägagångssätt när du undersöker 3D selektivitet i F5a12 och AIP nervceller13 under greppa. Vi kombinerade också gripa utförande och detaljerad visuell provning med videor av åtgärder när du undersöker åtgärder observation svaren i AIP22. På samma sätt, kunde många andra experimentella uppgifter, inte här, ingår också läggas till våra protokoll beroende på den vetenskapliga frågan tas upp. Dessa uppgifter ingår att studera både rent fysiska egenskaper av stimulus (t.ex. stimulans storlek) och kognitiva aspekter såsom stimulans förtrogenhet23 eller biologisk relevans (preferens för former som är biologiskt relevanta såsom ansikten24).
Ytterligare studier på dessa områden kommer att ge en bättre förståelse av nätverket och gör det möjligt för oss att förfina typ av protokoll som ska användas.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Vi tackar Inez Puttemans, Marc De Paep, Sara De Pril, Wouter Depuydt, Astrid Hermans, Piet Kayenbergh, Gerrit Meulemans, Christophe Ulens och Stijn Verstraeten för tekniskt och administrativt stöd.
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).
