Automatiserede Visual kognitive opgaver for optagelse neurale aktivitet Brug et gulv 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 protokoller for uddannelse rotter for kroniske elektrofysiologiske optagelser i fuldautomatiske kognitive opgaver på et gulv Projektion 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

Neuropsykologiske opgaver, der anvendes i primater til at undersøge mekanismerne for indlæring og hukommelse er typisk visuelt guidet kognitive opgaver. Vi har udviklet visuelle kognitive opgaver for rotter ved hjælp af gulv Projection Maze 1,2, der er optimeret til visuelle evner af rotter tillader stærkere sammenligninger af eksperimentelle resultater med andre arter.

For at undersøge neurale korrelater for indlæring og hukommelse, har vi integreret elektrofysiologiske optagelser i fuldautomatiske kognitive opgaver på gulvet Projection Maze 1,2. Behavioral software interface med et dyr tracking system tillader overvågning af dyrets adfærd med præcis styring af billedet præsentation og belønne uforudsete bedre dresserede dyr. Integration med et in vivo elektrofysiologiske registreringssystem muliggør undersøgelse af adfærdsmæssige korrelater til neurale aktivitet på udvalgte epoker af en given kognitiv opgave. </ P>

Vi beskriver protokoller for en model, der kombinerer automatiseret visuel præsentation af information til gnavere og intrakraniel belønning med elektrofysiologiske metoder. Vores model system giver en sofistikeret sæt af værktøjer som ramme for andre kognitive opgaver for bedre at isolere og identificere specifikke mekanismer, der bidrager til bestemte kognitive processer.

Introduction

Visuelle opgaver er almindeligt anvendt i humane og aber til at undersøge mekanismerne bag indlæring og hukommelse. Gnaver modeller, er dog mere let tilgængelige for forskere større målestok, bedre kontrollerede studier, og har den ekstra fordel, at tillade mere invasive elektrofysiologiske teknikker. I kombination med andre metoder, såsom genetiske manipulationer, elektrofysiologiske optagelser i frit bevægelige rotter en nyttig model til at målrette mekanismer og kredsløb underliggende kognitive processer. Primate visuelle opgaver kræver de emner til at lede blikket på visuelle stimuli på en skærm, mens rotte opgaver kræver de emner til at interagere med et miljø. The Floor Projektion Maze udnytter den naturlige tendens hos rotter til aktivt at udforske miljøet og samtidig deltager på visuelle stimuli.

Kognitive opgaver ved hjælp af touchscreen apparater designet specielt til gnavere har tilladtbedre oversættelse af fund fra gnavermodeller til mennesker 3. Touchscreen opgaver udføres typisk i et kammer med to dimensionale visuelle stimuli præsenteret vertikalt på vægge 3-7. Disse touchscreen opgaver kræver at motivet bag mod målet visuel stimulus og bryde en infrarød photobeam eller tryk på en tryk pad til at registrere sit svar. Anatomisk og adfærdsmæssige beviser, tyder imidlertid på, at rotter behandler visuel information i den nederste visuelle hemifield mere effektivt til at lede adfærd 8-10. Vores lab har udviklet kognitive opgaver udnytte Floor Projection Maze 2, hvor to-dimensionelle visuelle stimuli tilbage projiceres på gulvet i test arena. I gulvet Projection Maze rotter kan spores, når du udfører opgaver på en stor åben arena i forhold til apparater touchscreen. Således kan geografisk information i den indspillede neurale aktivitet opnås i tillæg til neurale korrelater til visuel information end beslutningstagning.

Vi leverer intrakraniel stimulation (ICS) til den mediale forhjernebundt (MFB) som en belønning 11. Denne metode til belønning levering har fordele i forhold mad og drikke belønninger. Mad og drikke belønninger kan føre til mæthed, selv i fødevare-berøvet rotter, begrænser antallet af forsøg et dyr vil udføre og potentielt bremse uddannelsesprocessen. ICS giver øjeblikkelig belønning giver øjeblikkelig feedback på opgaveløsningen. De umiddelbare belønning resulterer i hurtigere udformningen og erhvervelse og væsentligt reducerer varigheden af ​​uddannelses-protokoller. Desuden kan en større antal forsøg være afsluttet i en session, at øge mængden af ​​data, der indsamles og resulterer i en mere pålidelig prøve af opgave-relateret adfærd.

Brug af Floor Projection Maze, vil vi beskrive en generel protokol til at forme adfærd rotter til at udføre komplekse kognitive opgaver. This generelle protokol giver en ramme for uddannelse af rotter på tværs af en bred vifte af opgaver, der nu er ansat til optagelse neurale korrelater af opmærksomhed og visuel diskrimination 1.. Således er Floor Projection Maze optimeret til visuelle evner af rotter og tillader stærkere sammenligninger med visuelle opgaver i mennesker og ikke-menneskelige primater.

Protocol

Alle procedurer var i overensstemmelse med Brown University Institutional Animal Care og brug Udvalg retningslinjer.

1.. Systemer Oversigt

En video tracking system interagerer med en adfærdsmæssig kontrol system til at overvåge rottens fremskridt i en given opgave, evaluere target adfærd, kontrol stimulus præsentation og levere belønninger baseret på rottens fremskridt. En vivo elektrofysiologiske registreringssystem indsamler neurale data for begivenheden relaterede analyser. (Figur 1A).

  1. The Floor Projection Maze
    1. The Floor Projection Maze 2 er et åbent felt uden mure (147,3 cm x 111,8 cm) med en klar farveløs plexiglas gulv (0,6 cm tyk). Undersiden af ​​gulvet er Dual Vision Filmdug en enhed gevinst, der er strakt ud over en anden rektangel plexiglas stykker (147,3 cm x 111,8 cm x 1,25 cm) for bagprojektion ved hjælp af et kort kast projektor.
    2. Tilslut projektorentil grafikkortet i adfærdssystem PC. Hold plexiglas, serigrafivævet, og projektoren ved hjælp af et anodiseret aluminium stel.
    3. Installer en overhead anodiseret ramme til at montere en overhead kamera og en skive system til at interface ICS og hovedtrin bindsler til rotten.
      Bemærk: Tilslut rammen holder Gulv Projection Maze og overliggende ramme for at sikre elektrisk kontinuitet og jorden til forforstærker.
  2. Video sporing
    1. Optag, kortlægge og analysere videoer i realtid med en enkelt overliggende kamera beskrevet i trin 1.2.2.
    2. Monter en overhead kamera (standard VGA, 80 fps) på en overhead anodiseret aluminiumsramme til at overvåge rotte
    3. Brug enten lysemitterende dioder (LED), der er knyttet til rottens hovedtrin for at monitorere positionen af ​​rotte eller spor det geometriske tyngdepunkt af konturen af ​​rotte med en automatiseret tracking system.
    4. Brug cineplex grundlæggende adfærd modul til at analysere de positionsdata online og også gemme datafilen til yderligere offline analyse.
      Bemærk: Vi bruger cineplex Behavioral Research System 3.4.1 til optagelse, sporing og analyse rottens position. Cineplex Tracking modul bruges til sporing rotten. Til effektiv sporing af dyrets fremskridt bruge cineplex grundlæggende adfærd modul til at oprette zoner i to-dimensionelle rum på de relevante positioner i labyrinten, der har betydning i opgaven. Zoner kan kombineres i sekvenser, og cineplex logiske hændelser (såsom poster i zoner og opfyldelse af sekvenser) er tildelt en sådan, at hvis rotten opfylder kriterierne for arrangementet, at begivenheden bliver sandt. Tildel arrangementer med digitale udgange og grænseflade via en SUPERPORT input kort til adfærdsmæssige system.
  3. Et fuldautomatisk adfærdsmæssige kontrolsystem
    1. Behavioral test arena: Brug en passende formet test arena for den adfærdsmæssige opgave på gulvet Projection Maze. Konstruer erna hjælp mat hvid akryl og placere den direkte på gulvet Projection Maze.
      Bemærk: Mål kan tilpasses til den adfærdsmæssige opgave anvendes. Vægge er typisk 45-50 cm i højden. Her bruger vi dobbeltsidet test arenaer (butterfly maze 12) for at maksimere antallet af forsøg udført i en session (Figur 1B for dimensioner butterfly labyrint). Testen arena har fire udpegede områder, der er defineret i tracking software: East billedområde, West billedområde, en East Trial Ready område, og en vest Trial Ready Area (figur 1C).
    2. Behavioral system: En adfærdsmæssige grænseflade-system styres af MED-PC IV software kører programmer skrevet i-hus i MEDstate notation (se tillægget). Brug begivenheder fra cineplex adfærdsmæssige system til at spore en rotte fremskridt i løbet af opgaven, kontrollere billedet præsentation, leverer lydsignaler og levere belønning.
      1. Interface SUPERPORT output kort til Omniplex digital indgang til at erhverve tid stAmped adfærdsmæssige event forekomster i PlexControl software miljø for offline analyser. Udstede auditive signaler ved hjælp af en programmerbar lydgenerator.
        Bemærk: Adfærdsmæssige begivenheder fra præsenteres her apparat kan betjene tredjeparts udstyr (f.eks laser til optogenetic stimulation) via en dataoverførsel bord, hvis det kræves.
      2. Hus på SUPERPORT output kort, SUPERPORT input-kort og programmerbar audio generator i en bordplade grænseflade kabinet. Interface kort med en DIG-704PCI-2 PCI-kort installeret i en personlig computer (PC) ved hjælp af et DIG-700F Dekoder kort installeret i bordpladen kabinet.
      3. Lever bipolære firkantimpulskoder ICS til rotten ved hjælp af en programmerbar intrakraniel selv stimulation stimulator. Slut stimulator enhed til pc'en via et PHM152 COM-kort. Anbefalede ICS parametre: Puls 1 og 2 varighed: 500 mikrosekunder, Forsinkelse mellem Pulse 1 og 2: 500 mikrosekunder, Frekvens: 100 Hz.
        Bemærk: ICS leveringer automatiseret i løbet af opgaven, men kan manuelt leveres ved hjælp af en programmerbar knap boks tilsluttes en SmartCtrl modul.
  4. Neural dataopsamlingssystem
    1. Sørg Floor Projection Maze ramme og ICS systemet er jordet til forforstærker af Omniplex Neural Data Acquisition System til at minimere elektrisk støj i de neurale optagelser.
    2. Samtidig indsamler neurale data, positionelle koordinater fra cineplex og adfærdsmæssige event flag fra den adfærdsmæssige system i datafilen til offline analyser.

2. Animal Forberedelse

  1. Dyr
    1. Opnå naive 22 dage gammel mand Long Evans rotter.
    2. Par huse rotter og give dem mulighed for at vænne sig til vivarium i en uge.
    3. Håndtag rotter dagligt i ~ 5 min.
    4. Når rotter nå 250-275 g, begynder mad tidsplaner opretholde deres kropsvægt på 85-90% af deres frie fodring vægt. Mål, viights er steget med 10 g / måned indtil rotter nå 350 g.
    5. Enkelt hus rotter og fortsætte den mad tidsplan for mindst en uge, før de påbegynder operation at implantere stimulation og optagelse elektroder.
  2. Kirurgisk implantation
    Udføre kirurgiske procedurer under standardbetingelser aseptiske forhold og i overensstemmelse med de institutionelle og lovgivningsmæssige retningslinjer.
    1. Bedøver rotter med isofluran.
    2. Lave et snit i hovedbunden for at afsløre kraniet til rensning og identifikation af bregma og lambda.
    3. Foretag craniotomies på de relevante koordinater.
    4. Anbringe kranium anker skruer.
    5. Sænk spidsen af ​​en ICS elektroden i MFB hjælp af følgende koordinater: antero-posterior, -2.7 mm fra bregma, lateral, ± 1,8 mm, dorsoventral, -8.5 mm fra kraniet overflade. En anden ICS elektrode kan implanteres i den modsatte halvkugle som en backup i tilfælde af elektroden funktionsfejl.
    6. Fastgør ICS elektroder til than kranie og anker skruer med knoglecement. Må ikke cementere hylden (plasthus på stimulerende elektrode) af elektroderne.
    7. Sænk registreringselektroderne i stedet for renter og fastgør enheden med knoglecement.
    8. Placer ICS piedestal væk fra optageudstyret og sikre ICS elektroder og optageudstyr til anker skruer med knoglecement.
    9. Tillad mindst syv dage opsving, før de påbegynder tilvænning til udformningen protokollen.

3. Behavioral Shaping: Generel Shaping Består af tre stadier: Tidlig, Intermediate og Late Shaping (figur 2).

Bemærk: Formålet med Tidlig og Intermediate formgivning er at uddanne rotten til at opretholde en stationær 'klar position' i Klar-området for hver enkelt forsøg, og udføre en lang række forsøg i en session. Semi-automatisere adfærdsmæssige forme så uddannelse kan tilpasses til en rotte individuelle satser læring. Oncea rotte er at opretholde en vellykket 'klar stilling «, fortsæt til opgave specifik formning (Late formning) med henblik på at overføre rotten på en fuldautomatisk protokol for præcis og objektiv adfærdsmæssig kontrol (figur 2).

  1. Tidlig formning (figur 2A)
    1. Dag 1: vænne rotte til den adfærdsmæssige plads til 10 minutter med det udstyr, tændes derefter vende tilbage til kolonien.
    2. Dag 2: Gentag trin 1 og derefter vænne dyret til test arena for 10 min.
    3. Dag 3: Tilslut ICS og hovedtrin bindsler til rotter, og vænne rotten til test arena for 10 min.
    4. Dag 4: Bestem den laveste ICS amplitude til at etablere en præference sted ved hjælp af en uformel sted præference condition protokol. Titrer Pulse 1 og 2 amplituder. Typiske amplitudeværdier er 20-80 uA.
    5. Fra dag 5: Levere ICS belønning til at træne rotterne at knytte Ready-området og øst og vest billede præsentationer med jegCS belønning. Fortsæt, indtil rotten skiftevis mellem øst og vest billedområder.
  2. Intermediate formning (figur 2B).
    1. Indføre hvid støj (50 dB) at signalere starten af ​​et forsøg. Sluk for hvid støj, når rotten kommer ind i Ready-området.
    2. Automatiser ICS levering for indrejse i Ready-området, og for at gennemføre vellykkede 'ready positioner «. Juster sandsynligheden for ICS levering ved indrejse og succesfuld "klar position 'til at forstærke adfærd.
      Bemærk: Justér belønning sandsynligheder manuelt passer til individuelle rotte præstation under formgivning. Formindsk belønning sandsynligheder for indrejse i Ready-området og opretholde vellykkede klar positioner. Anbefalet endelig sandsynlighed for belønning for at opfylde vellykkede 'ready positioner er 5-10%. Rotter bliver belønnet for alle rigtige valg.
    3. Begynd med korte 'klar stilling «varigheder (fx 200 ms). Gradvist øge den »klar position 'durationer i 100 msek trin.
    4. Tænd for hvid støj, hvis rotten tidligt bryder 'klar position', så rotten har at genstarte retssagen.
    5. Flyt til Late formning når rotte holder i 'klar position "op til 1.200 ms.
  3. Efter formning (figur 2C).
    Bemærk: Træning i Late forme er specifik for den opgave, hvor rotten vil udføre. Automatiser uddannelse på dette formningstrinnet for præcis og objektiv kontrol af alle opgave parametre, men bevare fleksibiliteten for manuelt at levere ICS belønninger. Uddannelse protokoller for to opgaver er beskrevet.
    1. Visuel Biconditional forskelsbehandling (vBCD) opgave: Brug distinkte visuelle stimuli til at træne rotterne på en simpel form og luminans discriminence.
      1. Begynd forsøget ved at dreje på den hvide støj.
      2. Tilfældigt indføre "KLARSTILLING 'ventetid på 700 - 1.200 msek.
      3. Lever ICS manuelt, hvis der kræves for at styrke vellykket 'klar potioner «.
      4. Præsentere et par billeder i billedet præsentation området. Pseudorandomly præsentere det rigtige billede på den venstre eller højre side af billedområdet.
      5. Lever ICS for et korrekt svar og rydde gulvet. Et korrekt svar er registreret, når rotten går ind i det område, hvor det rigtige billede er placeret. På den første dag af uddannelse kun udstede en 75 dB byge af hvid støj som en afskrækkende for en forkert reaktion.
      6. Udsted en korrektion retssag efter en forkert retssag. Korrektion forsøg har identiske parametre (venstre eller højre side, og "klar holdning" latency) som de tidligere ukorrekte retssag.
      7. Når rotter er i stand til at udføre simple diskrimination, introducere de forskellige gulv mønstre til at træne Biconditional regel diskrimination.
      8. Præsentere et par nye billeder og to forskellige gulv mønstre til at tjene som baggrund. Den korrekte billede er betinget af, at gulvet mønster, fx den sorte star er korrekt, når gulvet er grå og den hvide cirkel er korrekt, når gulvet er stribet (figur 3C).
      9. Pseudorandomly tildele gulvet mønster og den position (venstre eller højre) det rigtige billede for hvert forsøg at sikre, at forsøg opvejes.
      10. Gennemføre korrektion forsøg efter en forkert retssag, hvor retssagen parametre er identiske med den foregående retssag.
    2. Visuospatial opmærksomhed (VSA) opgave: Present belyste hvide cirkler på definerede rumlige steder i arenaen til at træne rotter til at nærme den rumlige placering af målet cirkel.
      Bemærk: Til denne opgave arenaen har grå cirkler på forskellige rumlige steder i øst og vest billedområder. Efter en vellykket "klar stilling«, vil målcirklen belyse (drej hvid), og rotten skal nærme sig målet placering (figur 3B).
      1. Tilfældigt pålægge 'klar stilling «ventetid på 1,000-1,600 msek på forsøgsbasis ved forsøgsbasis.
      2. Lever ICS manuelt, hvis der kræves for at styrke vellykkede 'ready positioner «.
      3. Efter afslutningen af ​​'klar stilling «, tilfældigt belyse en af ​​de grå cirkler.
      4. Lever ICS, når rotten går ind i den zone af den belyste cirkel.
      5. Sluk belysning og påbegynde den næste forsøg på den modsatte (øst eller vest) side.
      6. Ved starten af ​​Late formning, belyse cirklen, indtil rotten nærmer det, eller indtil retssagen ender (5 sek efter lysende cirkel). Score hvert forsøg som enten korrekt eller en undladelse retssag. For undladelse forsøg belyse hele gulvet (hvidt gulv fremlagt) og ingen belønning vil være tilgængelige indtil den næste retssag.
      7. Når rotten ydeevne til 80% korrekt, reducere mængden af ​​tid kransen forbliver oplyst til 1 sek. Rotten har 5 sek at foretage et valg.
      8. Må ikke belønne for forkerte forsøg. Start næste forsøg.
      9. Hvis en udeladelse trial, belyse gulvet og starte en ny retssag.
      10. Ved 80% korrekt yderligere mindske den tid målcirklen er oplyst til 500 msek.
      11. Vælg målområder tilfældigt før hvert forsøg. Rotten vil fortsat have 5 sek til at foretage et valg, inden hele gulvet lyser at signalere slutningen af ​​denne retssag.
      12. Må ikke belønne for forkerte eller undladelse forsøg. Rotten skal indlede en ny retssag på den modsatte side af arenaen.
      13. Bemærk: Yderligere cirkler kan tilføjes i hvert billedområde til yderligere at øge opgavens sværhedsgrad.

Representative Results

Målet med de almindelige forme skridt er at akklimatisere rotten til test arena, tog rotten til at forblive i en stationær 'klar stilling «til præsentation af mål visuelle stimuli, og nærmer placeringen af ​​korrekte visuelle stimulus. Efter tilvænning til test værelse, arena, og bindsler, kræver tidlig formning typisk 100-150 forsøg indtil rotterne vekslende mellem øst og vest sider af arenaen. Under Early forme rotterne typisk løber gennem Ready-området i midten af arenaen og tilbringer det meste af tiden på at udforske omkredsen af arena (figur 4A). Rotter på Intermediate forme scenen efterhånden lære at opretholde en stationær 'klar position' i Klar område, der kræver 600-700 forsøg. På dette tidspunkt er dyrenes stier stereotype sløjfer fra Klar-området til billedområdet med mindre tid brugt udforske omkredsen af ​​labyrinten. Men rotterne ikke at opretholde en stationær "klar position «, angivet ved den hastighed, hvormed rotter krydse center Ready Samarbejdsområde (figur 4B).

Ved udgangen af ​​Intermediate forme, rotter opretholde en stationær 'klar position' i Klar-området før nærmer målet visuelle stimulus. Rotten initierer derefter det næste forsøg på den modsatte side af arenaen (figur 4C).

Integrationen af ​​tracking software og Neural Data Acquisition System med en adfærdsmæssig kontrol system giver mulighed for event relaterede analyser af neurale data. Drivable elektrode arrays kan være strategisk placeret til at optage en enkelt enhed og den lokale felt potentielle aktivitet. Optagelser blev udført i postrhinal cortex når rotterne udførte vBCD opgaven. Perievent histogrammer og raster plots viser, at celler i postrhinal cortex svare til udbrud af målet visuelle stimulus og til udbrud af gulvet mønster (figur 5A). I posterior parietal cortex af rats udfører VSA opgave celler reagerer på billedet præsentation, og da valget blev foretaget ved at indtaste den zone, der definerede målbilledet (figur 5B). Lokal felt potentielle aktivitet i posterior parietal cortex under udførelsen i VSA opgave viser en stærk magt i theta interval (~ 8 Hz), når rotter er i 'klar position "før billedet præsentation (figur 5C).

Figur 1
Figur 1.. Eksperimentel setup. A. Skematisk af de adfærdsmæssige og kontrolrum. The Floor Projection Maze har til huse i de adfærdsmæssige rum. Rotter overvåges via et overliggende kamera. Kontrolrummet huser udstyr til kontrol opgave og indsamle neurale data. B. dimensionerden butterfly labyrint. C. skærmbillede af cineplex Studio. Zoner er defineret af brugeren. Logiske begivenheder sendes som cineplex digitale udgange til den adfærdsmæssige kontrolsystem (Med Associates) for at overvåge udviklingen af rotten. Klik her for at se større billede.

Figur 2
Figur 2. Skematisk af formningsparametrene trin. A. I Tidlig forme rotten modtager ICS til indtastning af Ready-området, og ind øst og vest billedområder. Målet er at uddanne rotten at knytte disse områder med ICS belønning. B. Intermediate formning fokuserer på uddannelse af rotterne til at opretholde en stationær 'klar position' i Klar-området. Billederne præsenteres only efter at opretholde en vellykket 'klar stilling «. Rotter fortsætter med at modtage ICS for at nærme billedet i billedet området. C. Ved Late formning, er rotten held opretholde en stationær 'klar stilling «. Uddannelse er opgave specifik, og rotten er uddannet til at lære specifikke regler for at udføre en given opgave. Lightning indikerer ICS levering. Klik her for at se større billede.

Figur 3
Figur 3. A. Skematisk af vBCD opgave Når gulvet er grå, er den sorte stjerne belønnes;.. Når gulvet er stribet, er den hvide cirkel belønnet B. Skematisk af VSA opgave. Grå cirkler angiver mål destinationerne i billedet områder.Målet stimulus er en kort (500 msek) belysning (hvid) for en af ​​de cirkler. Rotterne bliver belønnet for at nærme det korrekte mål placering. Klik her for at se større billede.

Figur 4
Figur 4.. Eksempel stier under formning. Position data fra to minutters segmenter af en rotte udfører på forskellige forme trin. Hastighed af dyret repræsenteret af varme kort. Kolde farver repræsenterer langsomste hastigheder og varme farver repræsenterer hurtigste hastigheder. A. Under Early forme rotter udforske og bag op på de ydre vægge af øst og vest billedområder og ikke stoppe på. B Ready Area. En stereotyp sti begynder at dukke op i Intermediate shAping. Stier danner en løkke mod billedområder tilbage til Klar-området. Rotter begynder at kunne bevare en klar position 'i Klar-området. C. Når rotter fremskridt på Late shaping, rotter vedligeholde stationære 'ready positioner «og stier rotterne er mere stereotype. Klik her for at se større billede.

Figur 5
Fig. 5. Eksempler på perievent relaterede analyser. A. Celler optaget fra postrhinal cortex under vBCD opgave med forskellige reaktioner på præsentationen af målbilledet (til venstre), og præsentationen af gulvet (til højre). B. Celler, der er optaget fra den bageste parietale cortex underVSA opgave med forskellige reaktioner på belysningen af ​​cirklen (venstre). Øget fyring efter at vælge den rumlige placering, hvor målcirklen belyst (højre). C. Spektrogram viser stærk theta magt i den bageste parietale cortex under "klar stilling«. Den lodrette røde linje angiver slutningen af ​​en vellykket "klar position 'og præsentationen af ​​billederne. Den lodrette blå linje angiver præsentationen af ​​etage 1 under retssagen starter i vBCD opgaven. Den lodrette grønne linje angiver, at et valg er blevet registreret i VSA opgaven. Klik her for at se større billede.

Discussion

Vi beskriver formelt protokoller til at træne rotter på fuldautomatiske komplekse visuelle kognitive opgaver på gulvet Projection Maze. The Floor Projection Maze har været anvendt med succes til at etablere neurale korrelater til objekt-location konjunktioner og fejlsignaler i postrhinal cortex under udførelsen på en 2-choice opgave visuel diskrimination 1.

De adfærdsmæssige forme protokollen er designet til at være fleksibel, så den kan tilpasses en individuel rotte læring sats. Brugerdefineret kode skrevet til adfærdsmæssige system tillader forsøgslederen at kontrollere sandsynligheden af automatiserede ICS levering på kritiske trin under træning, fx uddannelse af 'klar stilling «. Koden bør også tillade manuel levering af ICS ved hjælp af en programmerbar knap kasse under. Formålet med tidlig shaping er at etablere effektiv ICS stimulation for belønning levering at forstærke adfærd. Når det er muligt, anbefaler vi at implantere stiformulere elektroder bilateralt i MFB i tilfælde af ineffektiv stimulering i en halvkugle. Vores erfaring har imidlertid været, at næsten alle implanterede ICS elektroder har været funktionelle til at levere en givende stimulus. Den Intermediate forme fase er afgørende for at træne rotten til at opretholde en "klar stilling« i Klar-området. I 'klar position ", bør rotten være stille med snuden pegende mod billedområderne hvor valget billeder vil blive præsenteret. Den "klarstilling" styrer, når billederne vises, den retning, hvorfra rotten nærmer de billeder og den afstand, som rotten ser billederne. Vi anbefaler sporing LED'er monteret på rottens hovedtrin til at overvåge den retning, i hvilken rottens hoved peger for bedre styring af adfærd og mere præcis kontrol af målbilledet præsentation. Manuel levering af ICS kan udstedes til at træne rotter til at opretholde den passende "klar stilling & #8217. Når rotten er at opretholde tilfredsstillende 'ready positioner «i hvert forsøg, træning i Late shaping er opgave specifik. I slutningen formning rotter er uddannet til at lære specifikke regler for at udføre en given opgave.

Vi bruger ICS som vores metode til belønning levering, da denne metode giver øjeblikkelig feedback til rotten resulterer i hurtigere indlæring i løbet af adfærdsmæssige shaping, og mere gennemførte forsøg i en session, når de indsamler neurale data i den automatiserede opgave. ICS levering resulterer imidlertid i elektriske artefakter i de neurale optagelser og kan være problematisk for analyse kontinuerlig LFP eller multiunit data. Intervallet omkring den elektriske artefakt kan fjernes offline fra det neurale optagelse datafil før kontinuerlig dataanalyse. Stereotype artefakter fra ICS i high pass filtreret spike data let kan fjernes offline uden at påvirke enkelt spike analyser. Fremtidig optimering af protokoller for Floor Projection Maze omfatter brug optogenetic værktøjer til at levere intern belønning for at minimere og eliminere artefakter i forbindelse med elektrisk stimulation.

The Floor Projection Maze er optimeret til de visuelle evner rotter, og er derfor bedre egnet til visuelt guidede adfærdsmæssige opgaver. Det skal bemærkes, at direkte sammenligninger ikke kan foretages mellem eksperimentelle paradigmer i gulvet Projection Maze og operantkamre grund af forskellige forsøgsprotokoller ansat og forskellige definitioner af kriterium for en vellykket overtagelse af en given opgave. Vi har tidligere vist, dog, at rotter erhvervet en simpel 2-choice opgave visuel diskrimination i ~ 50 forsøg i den Gulv Projection Maze 2 sammenlignet med> 300 forsøg i andre undersøgelser, hvor billeder blev præsenteret lodret i operantkamre 3,10. VSA opgave blev modelleret efter den klassiske 5-choice seriel reaktion opgave 13 (5-CSRT) designet til at vurdere visuel opmærksomhedsgradenprocesser. Typisk 5-CSRT udføres i en operant kammer og kræver dyret til at gøre en næse sækken i passende næse-sækken hul angives ved et lysglimt, her VSA opgave udføres i en åben arena, hvor dyrene skal forblive stationært på et bestemt sted i arenaen, rette deres opmærksomhed på de pågældende lokaliteter og vente på lysstimulus skal vises. Det er vores erfaring, rotter krævede ~ 3.200 forsøg at nå kriterium (75% på to på hinanden følgende dage) i 5-CSRT 14 sammenlignet med ~ 800 forsøg i VSA opgave i gulv Projection Maze.

En anden fordel af adfærdsmæssige opgaver på gulvet Projektion Maze er, at opgaverne udføres i en stor åben arena, som udnytter den naturlige tendens rotte til at udforske sine omgivelser, i modsætning til opgaver, der kræver at dyret til at fastsætte sit blik til en stationært mål. En væsentlig fordel ved at udnytte frit bevægelige rotter i en åben arena &# 160; i gulv Projection Maze apparatet er, at både allocentric og egocentrisk geografisk information kan indsamles med visuel information. En anden fordel af vores paradigme er, at opgaverne ikke behøver være begrænset til præsentation af statiske billeder. Placering og funktioner i visuelle stimuli, der er dynamisk kan bruges i fremtidige opgaver. Brug sporing kapaciteter cineplex Behavioral Research System, kan blive udviklet opgaver for en mere detaljeret funktionel forståelse af et givet hjernens struktur. Ved at kombinere samtidige elektrofysiologiske optagelser med visuelt guidede kognitive opgaver, kan udforskes grundlæggende spørgsmål om, hvordan hjernens aktivitet er relateret til kognitive processer såsom beslutningstagning og visuel diskrimination.

Brug visuelt guidede opgaver, kan resultaterne fra rotteundersøgelser bedre oversættes til mennesker med det ultimative mål at levere terapier for menneskelige kognitive sygdomme.

Disclosures

Indsendelse gebyr for denne video-artikel er sponsoreret af Plexon Inc.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af NSF IOS 1146334, NSF EFRI 0937848, DARPA N66001-10-C-2010 og NSF IOS 0.522.220 til RDB. Vi takker Stacie Hyatt at Plexon Inc for assistance ved udarbejdelsen af ​​dette 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