Automatiserade Visual kognitiva uppgifter för inspelning Neural aktivitet Använda en Floor Projection Maze

1Department of Cognitive, Linguistic & Psychological Sciences, Brown University, 2Department of Neuroscience, Brown University
* These authors contributed equally
Published 2/20/2014
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Behavior
 

Summary

Vi beskriver protokoll för utbildning av råttor för kroniska elektrofysiologiska inspelningar i helautomatiska kognitiva uppgifter på ett golv Projection Maze.

Cite this Article

Copy Citation

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

Neuropsykologiska uppgifter som används i primater för att undersöka mekanismerna för inlärning och minne är vanligtvis visuellt styrd kognitiva uppgifter. Vi har utvecklat visuella kognitiva uppgifter för råttor med hjälp av projektions Golv Maze 1,2 som är optimerade för visuella förmågor av råttor tillåter starkare jämförelser av experimentella fynd med andra arter.

För att undersöka neurala korrelat till inlärning och minne, har vi integrerat elektrofysiologiska inspelningar i helautomatiska kognitiva uppgifter på Projection Golv Maze 1,2. Behavioral programvara gränssnitt med ett djur tracking system möjliggör övervakning av djurets beteende med exakt kontroll av bildpresentation och belöna utsedda bättre utbildade djur. Integration med ett in vivo elektrofysiologiska inspelning systemet möjliggör undersökning av beteende korrelat till neural aktivitet vid valda epoker av en viss kognitiv uppgift. </ P>

Vi beskriver protokoll för ett modellsystem som kombinerar automatiserad visuell presentation av information till gnagare och intrakraniell belöning med elektrofysiologiska metoder. Vår modell system erbjuder en sofistikerad uppsättning verktyg som en ram för andra kognitiva uppgifter för att bättre isolera och identifiera specifika mekanismer som bidrar till vissa kognitiva processer.

Introduction

Visuella uppgifter används ofta i mänskliga och apa studier för att undersöka mekanismerna bakom inlärning och minne. Gnagare modeller, dock är mer lättillgängliga för forskare för större skala, bättre kontrollerade studier, och har den extra fördelen att tillåta mer invasiva elektrofysiologiska tekniker. I kombination med andra metoder, till exempel genetiska manipulationer, elektrofysiologiska inspelningar i fritt rörliga råttor ger en användbar modell för exakt inriktning mekanismer och kretsar underliggande kognitiva processer. Primate visuella uppgifter kräver patienterna att rikta blicken till visuella stimuli på en bildskärm, medan råtta uppgifter kräver patienterna att interagera med en miljö. Den Projection Golv Maze utnyttjar den naturliga tendensen hos råttor att aktivt utforska miljön samtidigt som sköter synintryck.

Kognitiva uppgifter med pekskärmsapparater som utformats speciellt för gnagare har låtitbättre översättning av resultaten från djurmodeller till människor 3. Pekskärms uppgifter utförs typiskt i en kammare med två dimensionella visuella stimuli som presenteras vertikalt på väggarna 3-7. Dessa pekskärm uppgifter kräver att motivet bakåt mot målet visuell stimulans och bryta en infraröd photobeam eller trycka på en tryckplatta för att registrera sitt svar. Anatomiska och beteendemässiga bevis, dock tyder på att råttor bearbetar visuell information i den nedre visuella hemifield mer effektivt för att styra beteendet 8-10. Vårt labb har utvecklat kognitiva uppgifter som använder Projection Golv Maze 2 där två-dimensionella visuella stimuli tillbaka projiceras på golvet i testarenan. I Floor Projection Maze råttor kan spåras när du utför uppgifter i en stor öppen arena jämfört med pekskärm apparat. Således kan geografisk information i inspelade neural aktivitet erhållas utöver neurala korrelat till visuell information end beslutsfattande.

Vi levererar intrakraniell stimulering (ICS) till den mediala framhjärnan bunt (MFB) som belöning 11. Denna metod för belöning leverans har fördelar jämfört med mat och dryck belöningar. Mat och dryck belöningar kan leda till mättnad, även i mat-berövade råttor, att begränsa antalet försök ett djur kommer att utföra och eventuellt bromsa utbildningen. ICS ger omedelbar belöning som ger omedelbar feedback på uppgiften prestanda. De omedelbara belöning ger snabbare formning och förvärv och väsentligt minskar längd för utbildningsprotokoll. Dessutom kan ett större antal försök att slutföras under en session, ökar mängden data som samlats in och som resulterar i en mer tillförlitlig urval av uppgiftsrelaterat beteende.

Använda Golv Projection Maze, kommer vi att beskriva en generell protokoll för att forma beteendet hos råttor för att utföra komplexa kognitiva uppgifter. This generella protokoll ger en ram för utbildning av råttor över en mängd olika uppgifter som för närvarande används för inspelning av neurala korrelat till uppmärksamhet och visuell diskriminering 1. Således är det Projection Golv Maze optimerad för visuella förmågor av råttor och tillåter starkare jämförelser med visuella arbetsuppgifter hos människor och icke-mänskliga primater.

Protocol

Alla förfaranden var enligt Brown University Institutional Animal Care och användning kommittén riktlinjer.

1. System översikt

En video tracking system interagerar med en beteende kontrollsystem för att övervaka råttans framsteg i en given uppgift, utvärdera målbeteenden, kontroll stimulans presentation och leverera belöningar baserade på råttans framsteg. En vivo elektrofysiologiska inspelning Systemet samlar neurala data för händelserelaterade analyser. (Figur 1A).

  1. Projektionsgolv Maze
    1. Den Projection Golv Maze 2 är ett öppet fält utan väggar (147,3 cm x 111,8 cm) och en klar färglös plexiglasgolvet (0,6 cm tjock). Undersidan av golvet är en enhetsförstärkning Dual Vision tyg skärm som är spänd över en andra rektangel av plexiglas bitar (147,3 cm x 111,8 cm x 1,25 cm) för bakprojektion med hjälp av en kort kast projektor.
    2. Anslut projektorntill grafikkortet i beteendesystemet PC. Håll Plexiglas, skärm tyg, och projektorn med en anodiserad aluminiumram.
    3. Installera en overhead anodiserad ram för att montera en overhead kamera och en trissa system att samverka på ICS och huvudsteg tjuder till råttan.
      Obs: Anslut ramen håller Golv Projection Maze och overhead ram för att säkerställa elektrisk kontinuitet och jord till förförstärkaren.
  2. Video spårning
    1. Spela in, spåra och analysera video i realtid med en enda överliggande kamera beskrivs i steg 1.2.2.
    2. Montera en overhead-kamera (standard VGA, 80 bilder per sekund) på en överliggande anodiserad aluminiumram för att övervaka råtta
    3. Använd antingen Ijusemitterande dioder (LED) som är knutna till råttans huvudsteg för att övervaka positionen hos råttan eller spår centroiden för konturen hos råtta med ett automatiserat system för spårning.
    4. Använd cineplex Basic Behavior modul för att analysera de positionsdata online och även spara datafilen för vidare analys off line.
      OBS: Vi använder cineplex Behavioral Research System 3.4.1 för registrering, spårning och analys av råttans ställning. Cineplex spårningsmodul används för att spåra råttans. För effektiv spårning av djurets framsteg använd cineplex Basic Behavior modulen för att skapa zoner med två-dimensionell rymd vid relevanta positionerna av labyrinten som har betydelse för den uppgift. Zoner kan kombineras till sekvenser, och cineplex logiska händelser (t.ex. poster i zoner och uppfyllandet av sekvenserna) är tilldelade så att om råttan uppfyller kriterierna för evenemanget, blir den händelsen sant. Tilldela händelser med digitala utgångar och gränssnitt via en superport ingångskort till beteende systemet.
  3. Ett helt automatiserat beteende styrsystem
    1. Behavioral prov arena: Använd en lämplig formad testarena för beteende uppgift på Projection Golv Maze. Konstruera ärna med hjälp av matt vit akryl och placera den direkt på Projection Golv Maze.
      Anm: Dimensioner kan anpassas för beteende uppgiften används. Väggarna är typiskt 45 till 50 cm i höjd. Här använder vi dubbelsidiga prov arenor (bowtie labyrint 12) för att maximera antalet försök som utförs i en session (Figur 1B för dimensioner fluga labyrinten). Test arena har fyra utsedda områden som definieras i den mjukvara: East bildyta, Västra Bild Area, en East Trial Ready Area, och en väst Trial Ready Area (Figur 1C).
    2. Behavioral systemet: Ett beteendegränssnittssystemet kontrolleras av MED-PC IV programvara körs program skrivna i-hus i MEDstate notation (se bilaga). Använd händelser från cineplex beteende system för att spåra en råtta framsteg under uppgiften, kontrollera bildpresentation, leverera ljud signaler och leverera belöning.
      1. Gränssnitt för superport utgångskort till Omniplex digital ingång för att få tid stAmped beteendehändelse förekomster i PlexControl programvarumiljö för offline analys. Utfärda auditiva ledtrådar med hjälp av en programmerbar ljudgenerator.
        OBS: Beteende händelser från apparaten som presenteras här kan fungera tredjepartsutrustning (t.ex. laser för optogenetic stimulering) via en dataöverförings styrelse om det behövs.
      2. Hus på superport utgångskort, superport ingångskort och programmerbar ljudgenerator i en bordsskiva gränssnitt skåp. Gränssnitt korten med en DIG-704PCI-2 PCI-kort installerat i en dator (PC) med en DIG-700F Decoder-kort installerat i bordsskivan skåpet.
      3. Leverera bipolära fyrkantsvågsignaler ICS till råttan med hjälp av en programmerbar intrakraniell självstimulering stimulator. Anslut stimulatorn enheten till datorn via en PHM152 COM-kort. Rekommenderade ICS parametrar: Puls 1 och 2 längd: 500 ^ sek; Fördröjning mellan Puls 1 och 2: 500 ^ sek, Frekvens: 100 Hz.
        Obs: ICS leveransär automatiserad under uppgift, men kan manuellt levereras med hjälp av en programmerbar knapp box ansluten till en SmartCtrl modul.
  4. Neural datainsamlingssystem
    1. Se till att golv Projection Maze ramen och ICS systemet är jordat till förförstärkaren i Omniplex Neural datainsamlingssystem för att minimera elektriska störningar i de neurala inspelningarna.
    2. Samtidigt samlar neurala uppgifter, positionella koordinaterna från cineplex och beteendehändelse flaggor från beteendesystemet i datafilen för offline analys.

2. Djurpreparering

  1. Djur
    1. Skaffa naiva 22 dagar gamla manliga Long-Evans råttor.
    2. Par hysa råttorna och tillåta dem att acklimatisera till terrariet i en vecka.
    3. Handtag råttor dagligen under ~ 5 min.
    4. När råttor når 250-275 g, börja mat scheman behålla sin kroppsvikt på 85-90% av sin matning vikt. Target viights ökas med 10 g / månad tills råttorna nå 350 g.
    5. Enda hus råttorna och fortsätta livsmedels schemat för minst en vecka innan du börjar operationen att implantera stimulering och registreringselektroderna.
  2. Kirurgisk implantation
    Utför kirurgiska ingrepp under normala aseptiska förhållanden och i enlighet med institutionella och rättsliga riktlinjer.
    1. Bedöva råtta med isofluran.
    2. Gör ett snitt i hårbotten för att avslöja skallen för rening och identifiering av bregma och lambda.
    3. Gör craniotomies på relevanta koordinaterna.
    4. Anbringa skalle ankarskruvar.
    5. Sänk spetsen på en ICS elektrod i MFB med hjälp av följande koordinater: antero-posterior, -2,7 mm från bregma, lateral, ± 1,8 mm, dorsoventral, -8,5 mm från skallen ytan. En andra ICS elektrod kan implanteras i den motsatta halvklotet som en backup i händelse av elektrod fel.
    6. Fäst ICS elektroder till than skallen och ankarskruvar med bencement. Inte cementera piedestalen (plasthuset på den stimulerande elektroden) av elektroderna.
    7. Sänk registreringselektroderna till platsen av intresse och säkra enheten med bencement.
    8. Placera ICS piedestal bort från inspelningsenheten och säkra ICS elektroder och anordningar som ankarskruvar med bencement.
    9. Lämna minst sju dagar återhämtning innan du börjar tillvänjning till utformningen protokollet.

3. Behavioral Shaping: General Forma Består av tre steg: Tidig, Intermediate, och sen Shaping (Figur 2).

Obs: Syftet med tidig och Mellan formning är att träna råttan att upprätthålla en stationär "klar ställning" i Ready-området för varje prövning, och utföra många försök i en session. Semi-automatisera beteende formning så utbildningen kan anpassas till en råtta individuella inlärnings priser. Oncea råttan är att upprätthålla en framgångsrik "klar ställning", fortsätt till uppgift specifik formning (Late formning) med syftet att överföra råttan på ett helt automatiserat protokoll för exakt och opartisk beteendekontroll (Figur 2).

  1. Tidig formning (figur 2A)
    1. Dag 1: habituate råttan att beteende rum under 10 min med utrustningen påslagen sedan tillbaka till kolonin.
    2. Dag 2: Upprepa steg 1 och sedan vänja djuret till testarenan för 10 min.
    3. Dag 3: Anslut ICS och huvudsteg tjuder till råttan, och vänja råttan till testarenan i 10 min.
    4. Dag 4: Bestäm den lägsta ICS amplitud att etablera en plats föredrar att använda en informell plats preferens konditione protokoll. Titrera Puls 1 och 2 amplituder. Typiska amplitudvärdena är 20-80 iA.
    5. Från dag 5: Leverera ICS belöning att träna råttorna att associera Ready-området och öster och väster bildpresentationer med ICS belöning. Fortsätt tills råttan alternerar mellan öst och väst bildområden.
  2. Intermediär formning (figur 2B).
    1. Införa vitt brus (50 dB) för att signalera början på en rättegång. Stäng av vitt brus när råttan kommer in i Ready-området.
    2. Automatisera ICS leverans för inträde i Ready-området, och för att slutföra framgångsrika "färdiga positioner". Justera sannolikheten för ICS leverans vid inresa och framgångsrik "klar ställning" för att förstärka beteendet.
      Obs: Justera belöning sannolikheter manuellt för att passa individuella råtta prestation under formning. Minska belöning sannolikheter för inträde i Ready-området och upprätthålla framgångsrika färdiga positioner. Rekommenderat slut sannolikhet för belöning för att uppfylla framgångsrika "färdiga positioner är 5-10%. Råttor belönas för alla riktiga val.
    3. Börja med korta "klar ställning" varaktigheter (t.ex. 200 ms). Successivt öka "klar ståndpunkt" durationer i 100 msek steg.
    4. Slå på vitt brus om råttan bryter förtid den "färdiga ställning" så råttan måste starta om rättegången.
    5. Flytta till Late formning när råttan håller i "färdigställning" för upp till 1.200 msek.
  3. Sen formning (figur 2C).
    OBS: Utbildning i Late utformningen är specifik för den uppgift där råttan ska utföra. Automatisera utbildning inom detta formningssteg för exakt och opartisk kontroll av alla uppgiftsparametrar men behålla flexibiliteten att manuellt leverera ICS belöningar. Utbildningsprotokoll för två uppgifter beskrivs.
    1. Visual biconditional diskriminering (vBCD) uppgift: Använd tydliga visuella stimuli att träna råttorna på en enkel form och luminans discriminence.
      1. Börja rättegången genom att slå på vitt brus.
      2. Slumpmässigt införa "färdiga ställning" latenser från 700 - 1,200 msek.
      3. Leverera ICS manuellt om det behövs för att förstärka framgångsrika "färdig positioner ".
      4. Presentera ett par bilder i bildpresentationsområdet. Pseudo presentera den korrekta bilden till vänster eller höger sida av bildområde.
      5. Leverera ICS för ett korrekt svar och rensa golvet. Ett korrekt svar registreras när råttan går in i den zon där den korrekta bilden är belägen. På den första dagen av träning bara, utfärda ett 75 dB explosion av vitt brus som ett avskräckande för ett felaktigt svar.
      6. Utfärda en korrigering rättegång efter en felaktig rättegång. Korrigerings prövningar har identiska parametrar (vänster eller höger sida och "klar ståndpunkt" latens) som den tidigare felaktiga försök.
      7. När råttorna har möjlighet att framgångsrikt utföra enkla diskriminering, införa olika golvmönster att träna regeln biconditional diskriminering.
      8. Presentera ett par nya bilder och två olika golvmönster för att tjäna som sammanhanget. Den korrekta bilden är villkorat av golvmönstret, t.ex. den svarta star är korrekt när golvet är grå och den vita cirkeln är korrekt när golvet är randig (figur 3C).
      9. Pseudo tilldela golvmönstret och den position (vänster eller höger) av rätt bild för varje försök att se till att försök uppvägs.
      10. Genomföra korrigeringsförsök efter en felaktig rättegång där parametrarna rättegången är identisk med den föregående rättegång.
    2. Visuospatial uppmärksamhet (VSA) uppgift: Present upplysta vita cirklar vid definierade geografiska platser i arenan för att träna råttorna att närma sig den rumsliga placeringen av målet cirkeln.
      OBS: För denna uppgift arenan har gråa cirklar i olika rumsliga platser i öst och väst bildområden. Efter en lyckad "klar ställning", kommer målet cirkeln lyser (blir vita), och råttan måste närma sig det målet plats (Figur 3B).
      1. Slumpmässigt införa "klar ställning" latenser av 1,000-1,600 ms på försök genom försök.
      2. Leverera ICS manuellt om det behövs för att stärka framgångsrika "färdiga positioner".
      3. Efter slutförandet av "färdiga ställning", slumpmässigt belysa en av de grå cirklarna.
      4. Deliver ICS när råttan går in i den zon av den belysta cirkel.
      5. Stäng av belysning och påbörja nästa försök på motsatt (öst eller väst) sidan.
      6. I början av Late formning, belysa cirkeln tills råttan närmar sig det eller tills provperioden upphör (5 sek efter att belysa cirkeln). Score varje prövning som antingen rätt eller försummelse rättegång. För underlåtenhet prövningar, lysa upp hela golvet (vita golv presenterade) och ingen belöning kommer att finnas tillgänglig fram till nästa rättegång.
      7. När råttan prestanda når 80% korrekt, minska mängden tid cirkeln förblir tänd till 1 sek. Råttan har 5 sek för att göra ett val.
      8. Belöna inte för felaktiga försök. Starta nästa rättegång.
      9. Om en försummelse trial, belysa golvet och starta en ny rättegång.
      10. Vid 80% korrekt ytterligare minska den tid målcirkeln belyses till 500 msek.
      11. Välj målplatser slumpvis innan varje försök. Råttan kommer att fortsätta att ha 5 sek för att göra ett val innan hela golvet tänds för att signalera slutet av den rättegången.
      12. Belöna inte för felaktiga eller underlåtenhet prövningar. Råttan måste initiera en ny studie på den motsatta sidan av arenan.
      13. Obs: Ytterligare cirklar kan läggas till i varje bildområde för att ytterligare öka aktivitets svårighet.

Representative Results

Målet med de allmänna form steg är att vänja råttan till testarenan, träna råttan att stanna kvar i ett stationärt "klar ställning" för presentation av mål-visuella stimuli, och närma sig platsen för korrekt visuell stimulans. Efter tillvänjning till testrummet, arena, och tjuder, kräver tidig formning vanligtvis 100-150 försök tills råttorna alternerande mellan öst och väst sidor av arenan. Under tidig forma råttorna brukar köras genom Ready området i mitten av arenan och tillbringar större delen av tiden utforska omkretsen på arenan (Figur 4A). Råttor på Mellan forma scenen gradvis lära sig att hålla en stillastående "klar ställning" i Ready-området kräver 600-700 prövningar. Vid denna punkt, är djurens stigar stereotypa loopar från Redo-området till bildområde med mindre tid att utforska omkretsen av labyrinten. Men råttorna inte bibehålla en stationär "färdig ponings ", indikeras av den hastighet med vilken råttor korsa mitt Ready Area (Figur 4B).

I slutet av Mellan formning, råttor upprätthålla en stationär "klar ställning" i Ready-området innan närmar sig målet visuell stimulans. Råttan initierar sedan nästa försök på den motsatta sidan av banan (Figur 4C).

Integrationen av mjukvara och Neural datainsamlingssystem med en beteende styrsystem möjliggör händelserelaterade analyser av neurala uppgifter. Körbara elektrod arrayer kan vara strategiskt placerade för att spela singel-enhet och lokala fältet potential aktivitet. Inspelningarna gjordes i postrhinal cortex då råttor utförde vBCD uppgiften. Perievent Histogrammen och rasterytor visar att celler i postrhinal cortex svara på uppkomsten av målet visuell stimulus och till uppkomsten av golvmönster (figur 5A). I bakre parietal cortex av rats utför VSA uppgiften cellerna reagerar på bildpresentation, och när valet gjordes genom att ange den zon som definieras målbilden (Figur 5B). Lokal fält potentiell aktivitet i bakre parietal cortex under prestanda i VSA uppgiften visar stark makt i theta intervallet (~ 8 Hz) när råttor är i "klar ställning" innan bilden presentationen (Figur 5C).

Figur 1
Figur 1. Försöksuppställning. A. Schematisk bild av de beteende-och kontrollrum. Den Projection Golv Maze är inrymt i den beteende rummet. Råttor övervakas via en overhead-kamera. Kontrollrummet inrymmer utrustning för att kontrollera uppgiften och för att samla in neurala uppgifter. B. Måttden fluga labyrint. C. Screen capture av cineplex Studio. Zonerna definieras av användaren. Logiska händelser skickas som cineplex digitala utgångar till beteende kontrollsystemet (Med Associates) för att övervaka utvecklingen av råttan. Klicka här för att visa en större bild.

Figur 2
Figur 2. Schematisk av formningssteg. A. I början formar råttan får ICS för att komma in i Ready-området, och kommer in öst och väst bildområden. Målet är att träna råttan att associera dessa områden med ICS belöning. B. Mellan formning fokuserar på utbildning av råttor för att upprätthålla en stationär "klar ställning" i Ready-området. De bilder som presenteras only efter att upprätthålla en lyckad "klar ställning". Råttor fortsätter att få ICS för att närma sig bilden i bildområdet. C. Vid sen formning, är råttan lyckas bibehålla en stationär "klar ställning". Utbildning är uppgiften specifik, och råttan är utbildad för att lära sig särskilda regler för att utföra en viss uppgift. Blixt visar ICS leverans. Klicka här för att visa en större bild.

Figur 3
Figur 3. A. B när golvet är randig, är den vita cirkeln belönas, Skiss för vBCD uppgiften När golvet är grått, är den svarta stjärnan belönas... Schematisk av VSA uppgiften. Grå cirklar anger mål-platser i bildområden.Målet stimulus är en kort (500 ms) belysning (vitt) av en av cirklarna. Råttorna belönas för att närma sig rätt målplatsen. Klicka här för att visa en större bild.

Figur 4
Figur 4. Exempel vägar under formning. Positionsdata från två minuters segment av en råtta som utför vid olika formningssteg. Hastighet hos djuret representeras av värme kartan. Kalla färger representerar långsammaste hastigheter och varma färger representerar snabbaste hastighet. A. Under tidig forma råttor utforska och bak upp på de yttre väggarna av bildområdena öst och väst och inte sluta på. B Ready Area. En stereotypa väg börjar växa fram i Mellan shläppning. Stigar bildar en ögla mot Bildområdena tillbaka till Ready-området. Råttor börjar att framgångsrikt upprätthålla en "färdig ställning" i Ready-området. C. När råttor framsteg på Late formning, råttor upprätthålla stationära "färdiga positioner" och stigar råttorna är mer stereotypa. Klicka här för att visa en större bild.

Figur 5
Figur 5. Exempel på perievent relaterade analyser A.. Celler som spelats in från postrhinal cortex under vBCD uppgiften med olika reaktioner på presentationen av målbilden (vänster), och presentationen av golvet (höger). B. Celler som spelats in från den bakre parietala cortex underVSA uppgift med olika reaktioner på belysningen av cirkeln (vänster). Ökad eldning efter att välja den rumsliga plats där målet cirkel belysta (höger). C. Spektrogram visar en stark theta makt i den bakre parietala cortex under "klar ståndpunkt". Den vertikala röda linjen indikerar slutet på framgångsrik "klar ståndpunkt" och presentationen av bilderna. Den vertikala blå linjen visar presentationen av Floor 1 vid rättegången startar i vBCD uppgiften. Den vertikala gröna linjen visar att ett val var registrerat i VSA uppgiften. Klicka här för att visa en större bild.

Discussion

Vi beskriver formellt protokoll för att utbilda råttor på helautomatiska komplexa visuella kognitiva uppgifter på Projection Golv Maze. Den Projection Golv Maze har använts framgångsrikt för att fastställa neurala korrelat till objektlokaliserings konjunktioner och felsignaler i postrhinal cortex under prestanda på en 2-val visuell diskriminering uppgift 1.

Den beteendemässiga formn protokollet är utformat för att vara flexibelt så att det kan anpassas för att passa en enskild råtta inlärningshastighet. Anpassad kod skriven för beteende-systemet tillåter försöksledaren att styra sannolikheten för automatiserade ICS leverans vid kritiska steg under träning, t.ex. utbilda "klar ståndpunkt". Koden ska också möjliggöra manuell leverans av ICS med hjälp av en programmerbar knapp låda under. Målet med Early formning är att skapa en effektiv ICS stimulans för belöning leverans för att förstärka beteendet. Om möjligt rekommenderar vi implanterar stiformulera elektroder bilateralt in MFB vid ineffektiva stimulering i en halvklotet. Vår erfarenhet har dock varit att nästan alla implanterade ICS elektroder har varit funktionellt att leverera en givande stimulans. Den Mellan formande skede är avgörande för att träna råttan att upprätthålla en "färdig ställning" i Ready-området. I "klar ståndpunkt", bör råttan vara stilla med nosen pekande mot bildområden där valet bilderna kommer att presenteras. Den "klar ståndpunkt" styr när bilderna visas, den riktning från vilken råttan närmar bilderna och avståndet från vilken råttan ser bilderna. Vi rekommenderar spårning lysdioder monterade på råttans huvudsteg för att övervaka i vilken riktning råttans huvud pekar på bättre styrning av beteende och mer exakt kontroll av målbilden presentation. Manuell leverans av ICS kan utfärdas för att utbilda råttor för att bibehålla lämplig "klar ställning & #8217;. När råttan är att upprätthålla tillfredsställande "färdiga positioner" i varje försök är utbildning i sen forma uppgiften specifik. Vid sen formning råttor är utbildade för att lära sig särskilda regler för att utföra en viss uppgift.

Vi använder ICS som vår metod för belöning leverans eftersom denna metod ger omedelbar feedback till råttan vilket resulterar i snabbare inlärning under beteendeformning, och mer fullständiga prövningar i en session vid insamling neurala data i den automatiska uppgiften. ICS leverans resulterar emellertid i elektriska artefakter i de neurala inspelningar, och kan vara problematiskt för att analysera kontinuerliga LFP eller multiunit data. Intervallet kring elektriska artefakten kan tas bort offline från neurala registreringsdatafilen innan kontinuerlig dataanalys. Stereotypa artefakter från ICS i höga pass filtrerad spik data kan lätt tas offline utan att påverka enda spik analyser. Framtida optimering av protokoll för Projection Golv Maze inkluderar använder optogenEtic verktyg för att leverera intern belöning för att minimera och eliminera artefakter i samband med elektrisk stimulering.

Den Projection Golv Maze är optimerad för de visuella funktionerna i råttor och är därför bättre lämpad för visuellt styrda beteende uppgifter. Det bör noteras att direkta jämförelser inte kan göras mellan experimentella paradigm i Floor Projection Maze och operant kammare på grund av olika experimentella protokoll som används och olika definitioner av kriterium för framgångsrika förvärvet av en given uppgift. Vi har tidigare visat dock att råttor fick en enkel 2-valet visuell diskriminering uppgift i ~ 50 försök i Golv Projection Maze 2 jämfört med> 300 försök i andra studier där bilder presenterades vertikalt i operant kammare 3,10. VSA uppgift var modellerad efter den klassiska 5-valet serie reaktion uppgift 13 (5-CSRT) för att bedöma visuella attentionalprocesser. Typiskt är 5-CSRT utföres i ett operant kammaren och kräver djuret att göra en näsa peta i lämplig nos-peta hål indikeras av en ljusblixt; här VSA uppgift utförs i en öppen arena där djuren måste förbli stillastående på en viss plats i arenan, rikta sin uppmärksamhet mot målet platser och vänta på ljuset stimulans att visas. I vår erfarenhet, råttor krävs ~ 3.200 försök att nå kriteriet (75% på två dagar i följd) i 5-CSRT 14 jämfört med ~ 800 försök i VSA uppgiften i Projection Golv Maze.

En annan fördel med beteendemässiga uppgifter som utförs på Projection Golv Maze är att uppgifterna utförs i en stor öppen arena, som utnyttjar den naturliga tendensen för råttan att utforska sin omgivning, till skillnad från uppgifter som kräver att djuret att fixera blicken på en stillastående mål. En stor fördel med användning av fritt rörliga råttor i en öppen arena &# 160, i Golv Projection Maze apparat är att både allocentric och egocentriskt rumslig information kan samlas in med visuell information. En annan fördel med vårt paradigm är att uppgifterna behöver inte begränsas till presentation av statiska bilder. Ställning och funktioner i visuella stimuli som är dynamiska kan användas i framtida uppgifter. Med hjälp av spårningsmöjligheten av cineplex Behavioral Research System, kan uppgifterna tas fram för en mer detaljerad funktions förståelse av en viss hjärnstruktur. Kombinera samtidiga elektrofysiologiska inspelningar med visuellt guidade kognitiva uppgifter kan grundläggande frågor om hur hjärnaktivitet är relaterat till kognitiva processer såsom beslutsfattande och visuell diskriminering utforskas.

Använda visuellt styrda uppgifter, kan resultaten från råttstudier bättre översättas till människor med det slutliga målet att ge behandlingar för mänskliga kognitiva sjukdomar.

Disclosures

Inlämning avgift för denna video-artikeln är sponsrad av Plexon Inc.

Acknowledgements

Detta arbete stöddes av NSF IOS 1146334, NSF EFRI 0937848, N66001--C-2010 10 DARPA och NSF IOS 0.522.220 till RDB. Vi tackar Stacie Hyatt at Plexon Inc för att få hjälp att förbereda detta manuskript.

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.

    Video Stats