משימות אוטומטיות חזותית קוגניטיבית להקלטה עצבית פעילות באמצעות הקרנה מקיר לקיר מבוך

1Department of Cognitive, Linguistic & Psychological Sciences, Brown University, 2Department of Neuroscience, Brown University
* These authors contributed equally
Behavior
 

Summary

אנו מתארים פרוטוקולים להכשרת חולדות עבור קלטות אלקטרו כרוניות במשימות קוגניטיביות אוטומטיות לחלוטין בהקרנה מקיר לקיר מבוך.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Jacobson, T. K., Ho, J. W., Kent, B. W., Yang, F. C., Burwell, R. D. Automated Visual Cognitive Tasks for Recording Neural Activity Using a Floor Projection Maze. J. Vis. Exp. (84), e51316, doi:10.3791/51316 (2014).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

משימות נוירופסיכולוגיים המשמשות בפרימטים לחקור מנגנונים של למידה וזיכרון הן בדרך כלל חזותית מודרכים משימות קוגניטיביות. פיתחנו משימות קוגניטיביות חזותיות לחולדות באמצעות ההקרנה מקיר לקיר מבוך 1,2 שמותאמים ליכולות חזותיות של חולדות המאפשרות השוואות חזקות יותר של ממצאי ניסוי עם מינים אחרים.

על מנת לחקור וקושרת עצבית של למידה וזיכרון, יש לנו משולב הקלטות אלקטרו למשימות קוגניטיביות אוטומטיות לחלוטין בהקרנה מקיר לקיר מבוך 1,2. תוכנת התנהגות ממשק עם מערכת מעקב בבעלי חיים מאפשרת ניטור של התנהגותו של בעל החיים עם שליטה מדויקת של הצגת תמונה ולתגמל תלויות לבעלי חיים טובים יותר מאומנים. אינטגרציה עם מערכת הקלטת אלקטרו in vivo מאפשרת בחינה של קושרת התנהגותיים של פעילות עצבית בתקופות נבחרות של משימה קוגניטיבית נתון. </ P>

אנו מתארים פרוטוקולים למערכת מודל המשלבת מצגת ויזואלית אוטומטית של מידע למכרסמים ותגמול תוך גולגולתי עם גישות אלקטרו. מערכת המודל שלנו מציעה סט של כלים מתוחכם כמסגרת למשימות קוגניטיביות אחרות לבודד טוב יותר ולזהות מנגנונים ספציפיים תורמים לתהליכים קוגניטיביים מסוימים.

Introduction

משימות חזותיים משמשות בדרך כלל במחקרים בבני אדם וקוף לבחון מנגנוני למידה וזיכרון בסיסי. מודלים של מכרסמים, לעומת זאת, הם יותר נגישים לחוקרים לקנה מידה גדולה יותר, טוב יותר מחקרים מבוקרים, ויש להם יתרון הנוסף של התרת טכניקות אלקטרו פולשניים יותר. בשילוב עם גישות אחרות, כגון מניפולציות גנטיות, קלטות אלקטרו בנעו בחופשיות חולדות לספק מודל שימושי עבור דווקא מיקוד מנגנונים ומעגלי תהליכים קוגניטיביים הבסיסיים. משימות חזותיות הפרימאטים דורשות נושאים לכוון את מבטו לגירויים חזותיים על צג, ואילו משימות חולדה דורשות נושאים לאינטראקציה עם סביבה. ההקרנה מקיר לקיר המבוך מנצלת את הנטייה הטבעית של חולדות כדי לחקור באופן פעיל הסביבה, תוך השתתפות בו זמנית לגירויים חזותיים.

משימות קוגניטיביות באמצעות מנגנוני מסך מגע שתוכננו במיוחד עבור מכרסמים אפשרותרגום טוב יותר של ממצאים ממודלים של מכרסמים לבני אדם 3. משימות מסך מגע מתבצעות בדרך כלל בחדר עם שני גירויים חזותיים ממדיים שהוצגו בצורה אנכית על קירות 3-7. משימות אלו דורשות מסך מגע בכפוף לאחורי לכיוון הגירוי החזותי היעד ולשבור photobeam אינפרא אדום או לחצו על משטח לחץ לרשום את תגובתה. עדויות אנטומיות והתנהגותיים, לעומת זאת, מראות כי חולדות לעבד מידע חזותי בhemifield החזותי נמוך יותר בצורה יעילה יותר להנחיית התנהגות 8-10. המעבדה שלנו פיתחה משימות קוגניטיביות ניצול ההקרנה מקיר לקיר מבוך 2 שבו גירויים חזותיים דו ממדים מוקרנים בחזרה על רצפת זירת המבחן. בהקרנה מקיר לקיר יכולה להיות במעקב חולדות במבוך בעת ביצוע משימות בזירה פתוחה גדולה בהשוואה למנגנון מסך מגע. לפיכך, ניתן לקבל מידע מרחבי בפעילות העצבית שנרשמה בנוסף לקושרת עצבית של מידע חזותיקבלת החלטות ד.

אנו מספקים גירוי תוך גולגולתי (ICS) לחבילה המדיאלי המוח הקדמי (MFB) כפרס 11. לשיטה זו של משלוח הפרס יתרונות על פני תגמולים מזון ומשקה. תגמולים מזון ושתייה יכולים להוביל לשובע, גם בחולדות שנשלל מזון, להגביל את מספר הניסויים בבעלי חיים יבצעו ואפשרות להאט את תהליך ההכשרה. ICS מספק תגמול מיידי מתן משוב מיידי על ביצוע משימה. תוצאות מיידי השכר בעיצוב ורכישה מהירים יותר ומפחיתות באופן משמעותי את משך הזמן של פרוטוקולי אימונים. יתר על כן, מספר גדול יותר של ניסויים יכול להסתיים בפגישה, להגדיל את כמות הנתונים שנאספו וכתוצאה מכך מדגם אמין יותר של התנהגות הקשורות למשימה.

שימוש במבוך הקרנה מקיר לקיר, אנו מתארים פרוטוקול כללי לעצב את ההתנהגות של חולדות כדי לבצע משימות קוגניטיביות מורכבות. תיפרוטוקול כללי של מספק מסגרת להכשרת חולדות על פני מגוון רחב של משימות מועסקות כיום להקלטה וקושרת עצבית של תשומת לב ואפליה חזותית 1. לפיכך, ההקרנה מקיר לקיר המבוך מותאמת ליכולות חזותיות של חולדות ומאפשרת השוואות חזקות יותר עם משימות חזותיות בבני אדם ופרימטים לא אנושיים.

Protocol

כל ההליכים היו בהתאם להנחיות ועדת אוניברסיטת בראון מוסדי טיפול בבעלי חיים ושימוש.

1. סקירת מערכות

מערכת מעקב וידאו האינטראקציה עם מערכת בקרת התנהגותי כדי לפקח על ההתקדמות של החולדה במשימת נתונה, להעריך התנהגויות יעד, הצגת גירוי שליטה ולספק תגמולים בהתבסס על ההתקדמות של החולדה. מערכת הקלטת אלקטרו vivo אוספת נתונים עצביים לניתוחי אירוע קשור. (איור 1 א).

  1. הקרנה מקיר לקיר המבוך
    1. ההקרנה מקיר לקיר המבוך 2 היא שטח פתוח ללא קירות (147.3 סנטימטר x 111.8 סנטימטר) עם רצפת פרספקס חסרת צבע ברור (0.6 ס"מ עובי). התחתון של הרצפה הוא רווח אחדות מסך כפול חזון בד שנמתח מעל מלבן שני של חתיכות פלסטיק (147.3 סנטימטר x 111.8 סנטימטר x 1.25 סנטימטר) להקרנה אחורית באמצעות לזרוק מקרן קצר.
    2. חבר את המקרןלכרטיס מסך במחשב מערכת ההתנהגות. מחזיק פרספקס, בד מסך, ומקרן באמצעות מסגרת אלומיניום.
    3. התקן את מסגרת anodized תקורה לעלות מערכת גלגלת לממשק רצועות ICS וheadstage לעכברוש מצלמה ותקורה.
      הערה: חבר את המסגרת מחזיקה את מבוך הקרנה מקיר לקיר ומסגרת התקורה כדי להבטיח המשכיות חשמלית וקרקע למגבר.
  2. מעקב וידאו
    1. שיא, לעקוב ולנתח את קטעי וידאו בזמן אמת עם מצלמה ממעל בודדת המתוארת בשלב 1.2.2.
    2. הר מצלמה מעל לראש (VGA הסטנדרטי, 80 fps) על גבי מסגרת אלומיניום תקורה כדי לפקח על העכברוש
    3. להשתמש גם דיודות פולטות אור (LEDs) המצורפות לheadstage של החולדה כדי לעקוב אחר המיקום של החולדה, או לעקוב אחר centroid של קווי המתאר של העכברוש עם מערכת מעקב אוטומטית.
    4. להשתמש במודול ההתנהגות Cineplex הבסיסי לנתח את נתוני מיקום online וגם לשמור את קובץ הנתונים לניתוח במצב לא מקוון נוסף.
      הערה: אנו משתמשים להקלטת מערכת מחקר התנהגות Cineplex 3.4.1, מעקב וניתוח עמדתה של החולדה. מודול Cineplex המעקב משמש למעקב אחר החולדה. למעקב יעיל של ההתקדמות של בעלי החיים, להשתמש במודול ההתנהגות Cineplex הבסיסי כדי ליצור אזורים במרחב דו ממדים בעמדות רלוונטיות של המבוך שיש משמעות במשימה. ניתן לשלב אזורים לרצפים, ואירועים הגיוניים Cineplex (כגון כניסות לאזורים והגשמה של הרצפים) מוקצים באופן שאם החולדה עונה על הקריטריונים לאירוע, אירוע שהופך להיות אמיתי. להקצות אירועים עם יציאות וממשק דיגיטליים באמצעות כרטיס קלט superport למערכת ההתנהגות.
  3. מערכת בקרה התנהגותיות אוטומטית לחלוטין
    1. זירת מבחן התנהגותי: השתמש בזירת בדיקה מתאימה בצורה למשימה התנהגותית בהקרנה מקיר לקיר מבוך. לבנות אותםנה באמצעות אקריליק לבן מט ומניחה אותו ישירות על ההקרנה מקיר לקיר מבוך.
      הערה: ממדים יכולים להיות מותאמים אישית עבור המשימה התנהגותיות בשימוש. קירות הם בדרך כלל 45-50 סנטימטר בגובה. כאן אנו משתמשים בזירות דו צדדיות בדיקה (מבוך עניבת פרפר 12) על מנת למקסם את מספר הניסויים שבוצעו במושב (איור 1 ב לממדים של מבוך עניבת הפרפר). יש זירת המבחן ארבעה אזורים המיועדים מוגדרים בתוכנת המעקב: שטח תמונת המזרח, פינת תמונה המערבית, שטח מוכן מזרח משפט, ושטח שממערב משפט מוכן (איור 1 ג).
    2. מערכת התנהגות: מערכת ממשק התנהגותיות נשלטת על ידי תוכנת IV MED-PC פועלת תוכניות שנכתבו בבית בMEDstate סימון (ראה נספח). השתמש באירועים ממערכת התנהגות Cineplex כדי לעקוב אחר ההתקדמות של חולדה במהלך המשימה, לשלוט במצגת תמונה, לספק רמזי אודיו ולספק גמול.
      1. ממשק כרטיס פלט superport לקלט דיגיטלי Omniplex לרכוש זמן stמופעי Amped התנהגותיות אירוע בסביבת תוכנת PlexControl למחוברים מנתח. להוציא רמזים שמיעתיים באמצעות גנרטור אודיו הניתן לתכנות.
        הערה: אירועי התנהגות מן המנגנון שהוצג כאן יכולים להפעיל את הציוד של צד שלישי (כגון לייזר לגירוי optogenetic) באמצעות לוח העברת נתונים במידת הצורך.
      2. בית כרטיס פלט superport, כרטיס superport הקלט ותכנות גנרטור אודיו בארון ממשק שולחן. ממשק הכרטיסים עם כרטיס DIG-704PCI-2 PCI המותקן במחשב אישי (PC) באמצעות כרטיס מפענח DIG-700F המותקן בארון השולחן.
      3. לספק ICS גל המרובע דו קוטבי לעכברוש באמצעות גירוי גירוי עצמי תוך גולגולתי הניתן לתכנות. חבר את יחידת ממריץ למחשב באמצעות כרטיס COM PHM152. פרמטרים מומלצים ICS: Pulse 1 ו 2 משך: 500 μsec; עיכוב בין דופק 1 ו -2: 500 μsec; תדירות: 100 הרץ.
        הערה: משלוח ICSהוא אוטומטי במהלך המשימה, אך יכול להיות מועבר באופן ידני באמצעות תיבת לחצן לתכנות ממשק עם מודול SmartCtrl.
  4. נתוני מערכת רכישה עצבית
    1. ודא שמערכת מסגרת מבוך הקרנה מקיר לקיר וICS מעוגנת למגבר של מערכת הנתונים העצבי Omniplex הרכישה כדי למזער את הרעש חשמלי בהקלטות עצביות.
    2. בו זמנית לאסוף נתונים עצביים, קואורדינטות positional מCineplex ודגלי אירוע התנהגותי ממערכת ההתנהגות בקובץ נתונים לא מקוון מנתח.

2. הכנת בעלי החיים

  1. בעלי חיים
    1. השג חולדות זכרים 22 יום ישנים נאיביות הארוך אוונס.
    2. הזוג לשכן החולדות ולאפשר להם להתאקלם לביבר במשך שבוע אחד.
    3. להתמודד עם חולדות יומיות ל~ 5 דקות.
    4. ברגע שהחולדות להגיע 250-275 גרם, תתחיל לוחות זמנים מזון שמירה על משקל גופם ב85-90% ממשקל ההאכלה החופשית שלהם. אנחנו יעדights הם עלו ב 10 גר '/ חודש עד חולדות להגיע 350 גרם.
    5. בית אחד החולדות ולהמשיך את לוח הזמנים של אוכל למשך שבוע לפחות לפני תחילת ניתוח להשתלת אלקטרודות גירוי וצריבה.
  2. השתלה כירורגית
    לבצע ניתוחים בתנאי aseptic סטנדרטיים ובהתאם להנחיות מוסדיות ורגולטורים.
    1. הרדימי עכברים עם isoflurane.
    2. עושה חתך בקרקפת כדי לחשוף את הגולגולת לניקוי וזיהוי של גבחת ולמבדה.
    3. הפוך craniotomies בקואורדינטות הרלוונטיות.
    4. תצמיד את ברגי עוגן גולגולת.
    5. מנמיכים את הקצה של האלקטרודה ICS לMFB שימוש בקואורדינטות הבאות: Antero, אחורי, -2.7 מ"מ מגבחת; לרוחב, ± 1.8 מ"מ; dorsoventral, -8.5 מ"מ ממשטח גולגולת. האלקטרודה ICS שנייה יכולה להיות מושתלת לחצי הכדור ההפוך כגיבוי במקרה של תקלה באלקטרודה.
    6. Secure אלקטרודות ICS כדי לאהוא ברגים בגולגולת ובעוגן עם מלט עצם. לא לחזק את הדום (דיור פלסטיק על האלקטרודה מגרה) של האלקטרודות.
    7. מנמיכים את האלקטרודות הקלטה לאתר של עניין ולאבטח את המכשיר עם מלט עצם.
    8. מקם את הכן ICS ממכשיר ההקלטה ולאבטח את האלקטרודות ICS ומכשירי הקלטה לברגים העוגן עם מלט עצם.
    9. לאפשר התאוששות לפחות שבעה ימים לפני תחילת התרגלות לפרוטוקול העיצוב.

3. עיצוב התנהגות: כללי עיצוב מורכב משלושה שלבים: מוקדם, בינוני, ועיצוב המאוחר (איור 2).

הערה: המטרה של עיצוב מוקדם וביניים היא להכשיר את העכברוש כדי לשמור על 'עמדה מוכנה "נייחת באזור מוכן לכל ניסוי, ולבצע ניסויים רבים בפגישה. כך אימון חצי אוטומטי בעיצוב התנהגותי יכול להיות מותאם לשיעורי הלמידה הפרטניים של חולדה. Oncעכברוש ea הוא שמירה על 'מצב מוכן' מצליח, המשך למשימת עיצוב ספציפי (עיצוב המאוחר), במטרה להעביר את העכבר על גבי פרוטוקול אוטומטי לחלוטין לשליטה התנהגותית מדויקת ובלתי מוטה (איור 2).

  1. עיצוב הקדום (איור 2 א)
    1. יום 1: להרגיל את החולדה לחדר התנהגותיות ל10 דקות עם הציוד מופעל ולאחר מכן לחזור למושבה.
    2. יום 2: חזור על שלב 1, ולאחר מכן להרגיל את בעל החיים לזירת הבדיקות עבור 10 דקות.
    3. יום 3: חבר את ICS ורצועות headstage לחולדה, ולהרגיל את החולדה לזירת הבדיקות עבור 10 דקות.
    4. יום 4: קבע את המשרעת ICS הנמוכה ביותר להקים העדפת מקום באמצעות פרוטוקול העדפת אוויר מקום לא פורמלי. לכיל Pulse 1 ו -2 אמפליטודות. ערכי המשרעת אופייניים הם 20-80 μA.
    5. מיום 5: לספק הפרס ICS לאמן החולדות לשייך את השטח מוכן ומצגות ממזרח ומערב עם תמונתיהפרס למדעי המחשב. המשך עד שהעכברוש הוא לסירוגין בין תחומי תמונת מזרח והמערב.
  2. עיצוב ביניים (איור 2).
    1. להציג את הרעש לבן (-50dB) לאות ההתחלה של משפט. כבה את הרעש הלבן כאשר החולדה נכנסה לפינה מוכנה.
    2. אוטומציה של משלוח ICS לכניסה לפינה מוכנה, ולהשלמת עמדות מוכנות "מוצלחות. התאם את ההסתברות למשלוח ICS בכניסה ועמדה מוכנה "מוצלחת כדי לחזק את ההתנהגות.
      הערה: התאם את הסתברויות הגמול באופן ידני כדי שיתאים לביצועים של החולדה בודדת במהלך עיצוב. ירידת הסתברויות גמול לכניסה לאזור מוכן ושמירה על עמדות מוכנות מוצלחות. הסתברות המלצה סופית של הפרס להגשמת 'עמדות מוכנות מוצלחות היא 5-10%. חולדות מתוגמלות עבור כל הבחירות הנכונות.
    3. התחל עם משכי זמן קצרים עמדה מוכנה "(למשל 200 אלפיות שנייה). בהדרגה להגדיל את הדורה 'מצב מוכן'tions ב100 צעדים אלפיות שניים.
    4. הפעל את הרעש הלבן, אם החולדה בטרם עת שוברת את העמדה מוכנה "כל כך העכברוש יש להפעיל מחדש את המשפט.
    5. מעבר לעיצובה המאוחר, כאשר החולדה מחזיקה בעמדה מוכנה "לתקופה של עד 1,200 אלפית שניות.
  3. עיצוב המאוחר (איור 2 ג).
    הערה: ההכשרה בעיצובה המאוחר היא ספציפית למשימה שבה העכברוש יבצע. אוטומציה של אימונים בשלב העיצוב הזה לשליטה מדויקת ובלתי מוטה של ​​כל הפרמטרים המשימה אבל לשמור על גמישות כדי לספק באופן ידני תגמולים ICS. פרוטוקולי אימון לשתי משימות מתוארים.
    1. משימת אפליית biconditional חזותית (vBCD): השתמש בגירויים חזותיים ברורים כדי לאלף את החולדות בצורה פשוטה וdiscriminence היקות.
      1. להתחיל המשפט על ידי הפעלת הרעש הלבן.
      2. באופן אקראי להטיל שיהוי "מוכן עמדה של 700 - 1,200 אלפיות שניים.
      3. לספק ICS באופן ידני במידת הצורך כדי לחזק את 'פו מוכן המוצלחsitions '.
      4. להציג זוג תמונות באזור מצגת תמונה. Pseudorandomly להציג את התמונה הנכונה בצד השמאל או ימין של שטח התמונה.
      5. לספק ICS לתשובה נכונה ולנקות את הרצפה. תשובה נכונה רשומה כאשר החולדה נכנסה לאזור שבו את התמונה הנכונה הוא ממוקם. ביום הראשון של אימונים בלבד, להוציא פרץ 75 dB של רעש לבן כגורם מרתיע לתגובה שגויה.
      6. להוציא משפט תיקון לאחר משפט שגוי. יש ניסויים תיקון פרמטרים זהים (בצד שמאל או ימין וחביון 'מצב מוכן') כמשפט השגוי הקודם.
      7. ברגע שהחולדות מסוגלים לבצע אפליה הפשוטה בהצלחה, להציג את דפוסי רצפה השונים כדי לאמן את שלטון אפליית biconditional.
      8. להציג את הזוג חדש של תמונות ושני דפוסי קומה נפרדים שישמש את ההקשר. התמונה הנכונה מותנית בדפוס הרצפה; למשל STA השחורr הוא נכון כאשר הרצפה היא אפורה והעיגול הלבן הוא נכון כאשר הרצפה היא פסים (איור 3 ג).
      9. Pseudorandomly להקצות דפוס רצפה ואת המיקום (משמאל או מימין) של התמונה הנכונה לכל ניסוי להבטיח כי ניסויים מאוזנים.
      10. ליישם ניסויים תיקון לאחר ניסוי שגוי שבו פרמטרי הניסוי זהים לניסוי הקודם.
    2. משימת תשומת לב visuospatial (VSA): עיגולים לבנים מוארים הווה במקומות המרחבית מוגדרים בזירה כדי לאלף את החולדות להתקרב למיקום המרחבי של עיגול המטרה.
      הערה: למשימה זו יש זירת עיגולים אפורים במקומות מרחבי שונים באזורי תמונת המזרח והמערב. לאחר עמדה מוכנה "מוצלחת, מעגל היעד יאיר (להלבין), והעכברוש חייב גישה שמיקום היעד (איור 3 ב).
      1. באופן אקראי להטיל שיהוי עמדה מוכנה "של 1,000-1,600 אלפיות שני במשפט על ידי ניסיון.
      2. לספק ICS באופן ידני במידת הצורך כדי לחזק את העמדות מוכנות "מוצלחות.
      3. לאחר השלמת 'מצב מוכן', באופן אקראי להאיר אחד מהעיגולים האפורים.
      4. לספק ICS כאשר החולדה נכנסה לאזור של העיגול המואר.
      5. כבה את התאורה ולהתחיל את המשפט הבא בצד השני (המזרחי או המערבי).
      6. בתחילתו של עיצוב המאוחר, להאיר את המעגל עד שהחולדה מתקרבת אליו או עד שהמשפט מסתיים (5 שניות לאחר שמאיר את העיגול). ציון כל ניסוי כמו גם נכון או ניסוי השמטה. לניסויי השמטה, להאיר את הקומה שלמה (קומה לבנה שהוצגה) ושום גמול יהיה זמין עד למשפט הבא.
      7. כאשר הביצועים של החולדה מגיעים 80% נכונים, להקטין את כמות הזמן שהמעגל נשאר מואר לשניות 1. יש החולדה 5 שניות לבצע בחירה.
      8. לא לתגמל עבור ניסויים שגויים. להתחיל את הניסוי הבא.
      9. אם תלת השמטהאל, להאיר את הרצפה ולהתחיל משפט חדש.
      10. ב80% נכונים להקטין עוד יותר את זמן מעגל היעד מואר 500 אלפיות שניים.
      11. בחר מיקומי היעד באופן אקראי לפני כל משפט. העכברוש ימשיך להיות 5 שניות לבצע בחירה לפני כל הרצפה מאירה לאותת סוף המשפט הזה.
      12. לא לתגמל עבור ניסויים שגויים או מחדל. העכברוש חייב להתחיל ניסוי חדש בצד השני של הזירה.
      13. הערה: ניתן להוסיף מעגלים נוספים בכל שטח תמונה כדי להגדיל את רמת הקושי של מטלה נוספת.

Representative Results

מטרת צעדי העיצוב הכלליים היא להסתגל החולדה לזירת הבדיקות, לאמן את החולדה להישאר בעמדה מוכנה "נייחת להצגה של הגירויים החזותיים היעד, ומתקרב למיקומו של הגירוי החזותי הנכון. לאחר התרגלות לחדר הבדיקות, בזירה, ורצועות, עיצוב מוקדם בדרך כלל דורש 100-150 ניסויים עד לחולדות לסירוגין בין הצדדים המזרח והמערב של הזירה. במהלך מוקדם מעצב את החולדות בדרך כלל לרוץ דרך השטח מוכן במרכז הזירה ומבלות את רוב הזמן לחקור את המערכת של הזירה (איור 4 א). חולדות בשלב עיצוב ביניים לומדות בהדרגה כדי לשמור על 'עמדה מוכנה "נייחת באזור מוכן דורשת 600-700 ניסויים. בשלב זה, שבילים "בעלי החיים הם סטריאוטיפיים לולאות מהאזור מוכן לפינת התמונה עם פחות זמן בילו לחקור את המערכת של המבוך. עם זאת, חולדות אינן שמירה "פו מוכן נייחsition ', שמסומן על ידי המהירות שבה חולדות חוצות את המרכז מוכן השטח (איור 4).

בסופו של עיצוב ביניים, חולדות לשמור על עמדה מוכנה "נייחת באזור מוכן לפני שמתקרבת לגירוי החזותי היעד. העכברוש אז יוזם את הניסוי הבא בצד השני של הזירה (איור 4C).

האינטגרציה של תוכנת המעקב ומערכת איסוף נתונים העצבי עם מערכת בקרה התנהגותיים מאפשרת לניתוחי אירוע הקשור של נתונים עצביים. מערכי האלקטרודה במצב נסיעה יכולים להיות ממוקמים באופן אסטרטגי כדי להקליט פעילות פוטנציאלית יחידה אחת והשדה מקומי. הקלטות בוצעו בpostrhinal קליפה כאשר חולדות ביצעו את משימת vBCD. היסטוגרמות Perievent וחלקות סריקה מראים כי תאים בקליפת מוח postrhinal להגיב להתקפה של הגירוי החזותי והיעד לתחילתה של תבנית הרצפה (איור 5 א). בקליפת המוח הקודקודית האחורית של rats ביצוע תאי משימת VSA להגיב להצגת התמונה, וכאשר הבחירה נעשתה על ידי הזנת האזור שהגדיר את תמונת היעד (איור 5). פעילות מקומית שדה פוטנציאל בקליפת המוח הקודקודית האחורית במהלך הופעה במשימת VSA מציגה כוח חזק בטווח תטא (~ 8 Hz), כאשר חולדות נמצאות בעמדה מוכנה "לפני הצגת התמונה (איור 5 ג).

איור 1
איור 1. התקנה ניסיונית. א סכמטי של חדרי התנהגות ושליטה. ההקרנה מקיר לקיר המבוך שוכנת בחדר התנהגותיות. חולדות נמצאות תחת פיקוח באמצעות מצלמה מעל לראש. חדר בקרת בתי הציוד לשלוט במשימה וכדי לאסוף נתונים עצביים. ב ממדים שלמבוך פרפר. לכידת מסך ג Cineplex סטודיו. אזורים המוגדרים על ידי המשתמש. אירועים הגיוניים יותר יישלחו כיציאות דיגיטליות Cineplex למערכת בקרת התנהגותי (מד Associates) כדי לפקח על ההתקדמות של החולדה. לחצו כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

איור 2
איור 2. סכמטי של שלבי העיצוב. א בתחילת עיצוב העכברוש מקבל ICS לכניסה לפינה מוכנה, וחבל תמונה להיכנס למזרח והמערב. המטרה היא להכשיר את העכברוש לשייך אזורים אלה עם הפרס ICS. עיצוב B. ביניים מתמקד באימון החולדות כדי לשמור על 'עמדה מוכנה "נייחת בפינה מוכנה. התמונות מוצגות only לאחר שמירה על עמדה מוכנה "מוצלחת. חולדות ימשיכו לקבל ICS למתקרב לתמונה באזור התמונה. C. בעיצובה המאוחר, העכברוש הוא שמירה בהצלחה 'מצב מוכן' נייח. ההדרכה היא משימה ספציפית, והחולדה מאומנת ללמוד כללים ספציפיים לביצוע משימה נתונה. ברק מציין משלוח ICS. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

איור 3
איור 3. א סכמטי של משימת vBCD כאשר הרצפה היא אפורה, הכוכב השחור מתוגמל;.. כאשר הרצפה מפוספסת, העיגול הלבן מתוגמל ב '. סכמטי של משימת VSA. עיגולים אפורים מציינים את מיקומי היעד באזורי התמונה.גירוי היעד הוא קצר תאורה (500 אלפיות שנייה) (לבן) של אחד מהמעגלים. החולדות מתוגמלות עבור מתקרב למיקום היעד הנכון. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

איור 4
איור 4. נתיבי דוגמא בעיצוב נתונים. מיקום משני מקטעים זעירים של עכברוש ביצוע בשלבי עיצוב שונים. מהירות של בעלי החיים מיוצגת על ידי מפת החום. צבעים קרים מייצגים במהירויות האיטית ביותר וחמים הצבעים מייצגים מהירויות גבוהות ביותר. א במהלך בתחילת עיצוב חולדות לחקור ואחוריות על הקירות החיצוניים של האזורים בתמונת המזרח והמערב ולא עוצרות בפינה מוכנה. ב '. דרך סטריאוטיפית מתחילה לצוץ בsh בינייםלחקות. נתיבים ליצור לולאה לכיוון אזורי התמונה בחזרה לפינה מוכנה. חולדות מתחילות לשמור על עמדה מוכנה "בפינה מוכנה. C בהצלחה. כאשר חולדות להתקדם על עיצוב המאוחר, חולדות לשמור על עמדות מוכנות "נייחות והנתיבים של החולדות הם סטריאוטיפיים יותר. לחצו כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

איור 5
איור 5. דוגמאות לניתוחים הקשורים perievent.. תאים שנרשמו מקליפת postrhinal במהלך משימת vBCD עם תגובות שונות להצגה של תמונת היעד (משמאל), והמצגת של הרצפה (מימין). ב '. תאים שנרשמו מקליפת המוח הקודקודית האחורי במהלךמשימת VSA עם תגובות שונות להארת העיגול (משמאל). הגברת ירי לאחר בחירת המיקום המרחבי בי מעגל היעד מואר (מימין). C. ספקטרוגרמה מראה כוח תטא חזק בקליפת המוח הקודקודית האחורי בעמדה מוכנה ". הקו האדום האנכי מציין סוף 'מצב מוכן' מוצלח וההצגה של התמונות. הקו הכחול האנכי מציין המצגת של 1 מקיר לקיר במשפט להתחיל במשימת vBCD. הקו הירוק האנכי מציין כי בחירה הייתה רשומה במשימת VSA. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

Discussion

אנחנו באופן רשמי לתאר פרוטוקולים לאמן חולדות על משימות אוטומטיות לחלוטין מורכבות חזותיות קוגניטיבית בהקרנה מקיר לקיר מבוך. ההקרנה מקיר לקיר המבוך שמשה בהצלחה להקים קושרת עצבית של צירופים אובייקט מיקום ואותות שגיאה בpostrhinal קליפה במהלך הופעה במשימה הבחנה ויזואלית 2 ברירה 1.

פרוטוקול עיצוב התנהגותי נועד להיות גמיש, כך שזה יכול להיות מותאם כדי להתאים את קצב הלימוד של חולדה בודדת. קוד מותאם אישית שנכתב עבור מערכת ההתנהגות מאפשר הנסיין לשלוט ההסתברות של משלוח ICS האוטומטי בשלבים קריטיים במהלך אימון; למשל אימון העמדה מוכנה ". הקוד צריך גם לאפשר מסירה ידנית של ICS באמצעות תיבת לחצן לתכנות ב. המטרה של עיצוב מוקדם היא להקים גירוי ICS יעיל למסירת הפרס כדי לחזק התנהגות. במידת האפשר מומלץ השתלת Stimulating אלקטרודות בילטרלי לMFB במקרה של גירוי לא יעיל בחצי כדור אחד. הניסיון שלנו, לעומת זאת, היה כי כמעט כל אלקטרודות מושתלות ICS היו פונקציונליות כדי לספק תמריצים מתגמל. שלב עיצוב ביניים הוא קריטי להכשרת החולדה כדי לשמור על 'עמדה מוכנה "בפינה מוכנה. בעמדה מוכנה ", החולדה צריכה להיות נייחת עם האף שלה והצביע לעבר האזורים בתמונה שבה תמונות הבחירה יוצגו. 'המצב מוכן' שולט בם מופיעים דימויי הכיוון שמן החולדה מתקרבת לתמונות ואת המרחק שממנו העכברוש רואה את התמונות. אנו ממליצים נוריות מעקב רכובים על headstage של החולדה כדי לפקח על הכיוון שבו ראשו של העכברוש הוא מצביע על שליטה טובה יותר של התנהגות ושליטה מדויקת יותר של מצגת תמונת היעד. ניתן להנפיק מסירה ידנית של ICS לאמן חולדות לשמור על "העמדה מוכנה המתאימה & #8217;. כאשר החולדה היא שמירה על עמדות מוכנות "משביעות רצון בכל ניסוי, הכשרה בעיצובה המאוחר היא משימה ספציפית. בעיצובה המאוחר חולדות מאומנים ללמוד כללים ספציפיים לביצוע משימה נתונה.

אנו משתמשים ICS כשיטת משלוח גמול שלנו, כמו בשיטה זו מספקת משוב מיידי לחולדה וכתוצאה מכך למידה מהירה יותר בעיצוב התנהגות, ועוד השלימה ניסויים בהפעלה בעת איסוף נתונים עצביים במשימה האוטומטית. משלוח ICS, לעומת זאת, גורם לחפצים חשמליים בהקלטות עצביות, ויכול להיות בעייתי לניתוח LFP הרציף או נתונים multiunit. המרווח סביב החפץ החשמלי ניתן להסיר מנותק מקובץ הנתונים העצבי הקלטה לפני ניתוח נתונים רציף. חפצים סטריאוטיפיים מICS בנתונים ספייק לעבור סינון גבוהים ניתן להסיר בקלות במצב לא מקוון מבלי להשפיע ספייק אחד הניתוחים. אופטימיזציה עתידית של פרוטוקולים להקרנה מקיר לקיר מבוך כוללת שימוש optogenכלים etic כדי לספק תגמול פנימי כדי למזער ולמנוע חפצים הקשורים לגירוי חשמלי.

ההקרנה מקיר לקיר המבוך מותאמת ליכולות חזותיות של חולדות ולכן היא מתאימה יותר למשימות התנהגותיות מודרכים מבחינה ויזואלית. יש לציין כי השוואה ישירה לא יכולה להתבצע בין פרדיגמות ניסוי במבוך הקרנה מקיר לקיר ותאי אופרנטית בגלל הפרוטוקולים שונים ניסיוניים המועסקים והגדרות שונות של קריטריון לרכישה מוצלחת של משימה נתונה. הראינו בעבר, עם זאת, כי חולדות שנרכשו משימת הבחנה ויזואלית 2-בחירה פשוטה ב~ 50 ניסויים בהקרנה מקיר לקיר מבוך 2 לעומת> 300 ניסויים במחקרים אחרים שבם תמונות הוצגו בצורה אנכית בתאי אופרנטית 3,10. משימת VSA הייתה במתכונת המשימה הקלסית 5 ברירה התגובה סידורי 13 (5-CSRT) נועדה להעריך קשב חזותיתהליכים. בדרך כלל 5-CSRT מתבצע בחדר אופרנטית ומחייב את בעל החיים כדי להפוך לדחוף את האף לחור האף-poke המתאים שצוין על ידי הבזק אור, כאן משימת VSA מתבצעת בזירה פתוחה שבו בעלי חיים חייבים להישאר נייח במיקום מסוים בזירה, להפנות את תשומת לבם למקומות היעד ומחכה לגירוי האור להופיע. מניסיוננו, חולדות נדרשו ~ 3,200 ניסויים כדי להגיע לקריטריון (75% בשני ימים עוקבים) ב14 5-CSRT לעומת ~ 800 ניסויים במשימת VSA בהקרנה מקיר לקיר מבוך.

יתרון נוסף של משימות התנהגותיות שבוצעו בהקרנה מקיר לקיר המבוך הוא שמשימות מתבצעות בזירה פתוחה גדולה, המנצלת את הנטייה הטבעית של העכברים כדי לחקור את סביבתו, בניגוד למשימות הדורשות את בעלי החיים כדי לתקן את המבט ל יעד נייח. יתרון עיקרי של שימוש בחולדות נעו בחופשיות בזירה ופתוחה160 #; במנגנון מבוך הקרנה מקיר לקיר הוא שמידע מרחבי שני allocentric והאגוצנטרי יכול להיות שנאסף עם מידע חזותי. יתרון נוסף של הפרדיגמה שלנו הוא שמשימות לא צריכים להיות מוגבלת להצגה של תמונות סטטיות. מיקום ותכונות של גירויים חזותיים שהם דינמיים יכולים לשמש במשימות עתידיות. שימוש ביכולות מעקב של מערכת מחקר התנהגות Cineplex, ניתן לפתח משימות להבנה פונקציונלית מפורטת יותר של מבנה מוח נתון. שילוב הקלטות אלקטרו בו זמנית עם משימות קוגניטיביות מודרכים חזותי, שאלות בסיסיות של איך פעילות המוח קשורה לתהליכים קוגניטיביים כגון קבלת החלטות ואפליה חזותית ניתן לחקור.

באמצעות משימות מודרכים חזותי, ממצאים ממחקרי עכברוש יכולים להיות טובים יותר בתרגום לבני אדם עם המטרה הסופית של מתן טיפולים למחלות הקוגניטיבי אנושיות.

Disclosures

דמי הגשה עבור מאמר וידאו זה הוא בחסות Plexon בע"מ

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי NSF IOS 1146334, NSF אפרים 0937848, DARPA N66001-10-C-2010, וNSF IOS 0,522,220 לRDB. אנו מודים Stacie הייאט בPlexon Inc לסיוע בהכנת כתב היד הזה.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
OmniPlex D Neural Data Acquisition System Plexon Inc
DigiAmp Digitizing Amplifier Plexon Inc
Frame for Floor Projection Maze 80/20 Inc 15 Series T-slot framing
Short throw projector NEC Display Solutions WT610E
Da-Lite lace and grommet screen Da-Lite Screen Company 81326C
Plexiglas Modern Plastics
SuperPort Input card Med Associates Inc DIG-713A
SuperPort Output card Med Associates Inc DIG-726
SmartCtrl Interface module Med Associates Inc DIG-716B
Decoder card Med Associates Inc DIG-700F
PCI card Med Associates Inc DIG-704PCI-2
Programmable audio generator Med Associates Inc ANL-926
Programmable Intracranial Self Stimulation Stimulator Med Associates Inc PHM-150B Operated by a PHM-152COM card
2 Channel electrode Plastics1 MS303/13/SP Cut 15-20 mm below the pedestal
MED-PC IV Software Med Associates Inc SOF-735
OmniPlex Software Plexon Inc
CinePlex Software: Tracking and Basic Behavior Modules Plexon Inc

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Furtak, S. C., Ahmed, O. J., Burwell, R. D. Single neuron activity and theta modulation in postrhinal cortex during visual object discrimination. Neuron. 76, 976-988 (2012).
  2. Furtak, S. C., et al. The Floor Projection Maze: A novel behavioral apparatus for presenting visual stimuli to rats. J. Neurosci. Methods. 181, 82-88 (2009).
  3. Bussey, T. J., et al. The touchscreen cognitive testing method for rodents: how to get the best out of your rat. Learn. Mem. 15, 516-523 (2008).
  4. Bussey, T. J., Muir, J. L., Everitt, B. J., Robbins, T. W. Triple dissociation of anterior cingulate, posterior cingulate, and medial frontal cortices on visual discrimination tasks using a touchscreen testing procedure for the rat. Behav. Neurosci. 111, 920-936 (1997).
  5. Forwood, S. E., Bartko, S. J., Saksida, L. M., Bussey, T. J. Rats spontaneously discriminate purely visual, two-dimensional stimuli in tests of recognition memory and perceptual oddity. Behav. Neurosci. 121, 1032-1042 (2007).
  6. Gaffan, E. A., Eacott, M. J. A computer-controlled maze environment for testing visual memory in the rat. J. Neurosci. Methods. 60, 23-37 (1995).
  7. Keller, J., Strasburger, H., Cerutti, D. T., Sabel, B. A. Assessing spatial vision - automated measurement of the contrast-sensitivity function in the hooded rat. J. Neurosci. Methods. 97, 103-110 (2000).
  8. Lashley, K. S. The mechanism of vision V The structure and image-forming power of the rat's eye. J. Comp. Psychol. 13, 173-200 (1932).
  9. Lashley, K. S. The Mechanism of Vision: Xv. Preliminary Studies of the Rat's Capacity for Detail Vision. J. Gen. Psychol. 18, 123-193 (1938).
  10. Minini, L., Jeffery, K. J. Do rats use shape to solve "shape discriminations". Learn. Mem. 13, 287-297 (2006).
  11. Milner, P. M. Brain-Stimulation Reward - a Review. Can. J. Psychol. 45, 1-36 (1991).
  12. Albasser, M. M., et al. New behavioral protocols to extend our knowledge of rodent object recognition memory. Learn. Mem. 17, 407-419 (2010).
  13. Bari, A., Dalley, J. W., Robbins, T. W. The application of the 5-choice serial reaction time task for the assessment of visual attentional processes and impulse control in rats. Nat. Protoc. 3, 759-767 (2008).
  14. Agster, K. L., Burwell, R. D. Structure and function of the rodent postrhinal cortex: comparisons to other cortical regions. Brown University. Rhode Island, USA. (2007).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics