Tâches cognitives visuels automatisés pour l'enregistrement de neurones activité en utilisant une projection au sol Maze

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

Summary

Nous décrivons les protocoles pour la formation des rats pour les enregistrements électrophysiologiques chroniques dans des tâches cognitives entièrement automatisées sur une projection au sol Maze.

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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).

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Abstract

Tâches neuropsychologiques utilisés chez les primates pour étudier les mécanismes de l'apprentissage et de la mémoire sont généralement visuellement guidés tâches cognitives. Nous avons développé des tâches cognitives visuels pour les rats à l'aide de la projection au sol Maze 1,2 qui sont optimisés pour les capacités visuelles des rats permettant des comparaisons solides de résultats expérimentaux avec d'autres espèces.

Afin d'étudier les corrélats neuronaux de l'apprentissage et de la mémoire, nous avons intégré les enregistrements électrophysiologiques dans des tâches cognitives entièrement automatisées sur la projection au sol Maze 1,2. Logiciel comportemental interfacé avec un système de suivi des animaux permet de contrôler le comportement de l'animal avec un contrôle précis de la présentation de l'image et de récompenser les éventualités pour animaux mieux formés. Intégration d'un système d'enregistrement électrophysiologique in vivo permet d'examiner les corrélats comportementaux de l'activité neuronale à des époques choisies d'une tâche cognitive donnée. </ P>

Nous décrivons les protocoles pour un système modèle qui combine la présentation visuelle automatique des informations pour les rongeurs et récompense intracrânienne avec des approches électrophysiologiques. Notre système de modèle offre un ensemble sophistiqué d'outils comme un cadre pour d'autres tâches cognitives pour mieux isoler et identifier des mécanismes spécifiques qui contribuent à certains processus cognitifs.

Introduction

Tâches visuelles sont couramment utilisés dans les études de l'homme et le singe d'examiner les mécanismes d'apprentissage sous-jacente et de la mémoire. modèles de rongeurs, cependant, sont plus facilement accessibles aux chercheurs pour une plus grande échelle, des études mieux contrôlées, et ont l'avantage de permettre des techniques électrophysiologiques plus envahissantes. En combinaison avec d'autres approches, telles que les manipulations génétiques, les enregistrements électrophysiologiques en se déplaçant librement rats constituent un modèle utile pour les mécanismes et les circuits des processus cognitifs sous-jacents ciblant précisément. Tâches visuelles primates exigent les sujets de diriger le regard à des stimuli visuels sur un écran, tandis que les tâches rat exigent les sujets d'interagir avec un environnement. La projection au sol Maze utilise la tendance naturelle des rats à explorer activement l'environnement tout en traitant simultanément à des stimuli visuels.

Les tâches cognitives à l'aide d'appareils à écran tactile conçu spécifiquement pour les rongeurs ont permismeilleure traduction des résultats des modèles de rongeurs à l'homme 3. Tâches à écran tactile sont généralement effectuées dans une chambre avec deux stimuli visuels dimensions présentées verticalement sur ​​les murs 3-7. Ces tâches nécessitent écran tactile le sujet à l'arrière vers le stimulus visuel de cible et de briser un photobeam infrarouge ou appuyez sur un tapis de pression pour enregistrer sa réponse. Les preuves anatomiques et comportementales, cependant, suggèrent que les rats traitent l'information visuelle dans le hémichamp visuel inférieur plus efficace pour orienter les comportements 8-10. Notre laboratoire a mis au point des tâches cognitives utilisant la projection au sol Maze 2, dans lequel des stimuli visuels en deux dimensions sont de retour projetées sur le sol de l'arène de test. Dans la projection au sol rats Maze peuvent être suivis lors de l'exécution des tâches dans un grand espace ouvert par rapport aux appareils à écran tactile. Ainsi, l'information spatiale dans l'activité neuronale enregistrée peut être obtenu en plus des corrélats neuronaux de l'information visuelle uned la prise de décision.

Nous livrons stimulation intracrânienne (ICS) pour l'ensemble du cerveau antérieur médian (MFB) comme une récompense 11. Cette méthode de livraison de récompense a des avantages sur les récompenses alimentaires et des boissons. Aliments et boissons récompenses peuvent conduire à satiété, même chez les rats privés de nourriture, ce qui limite le nombre d'essais un animal exécutera et potentiellement ralentir le processus de formation. ICS offre une récompense instantanée fournir une rétroaction immédiate sur l'exécution des tâches. Les résultats de récompense immédiate de mise en forme plus rapide et l'acquisition et réduit sensiblement la durée des protocoles de formation. En outre, un plus grand nombre d'essais peut être complété en une séance, l'augmentation de la quantité de données recueillies et donne un échantillon plus fiable du comportement lié à la tâche.

En utilisant le labyrinthe de projection au sol, nous allons décrire un protocole général de façonner le comportement des rats à effectuer des tâches cognitives complexes. This protocole général fournit un cadre pour la formation des rats à travers une variété de tâches actuellement employés pour l'enregistrement corrélats neuronaux de l'attention et la discrimination visuelle 1. Ainsi, la projection au sol Maze est optimisée pour les capacités visuelles de rats et permet des comparaisons plus solides avec les tâches visuelles chez les humains et les primates non humains.

Protocol

Toutes les procédures étaient conformes aux lignes directrices du Comité de l'Université Brown institutionnel de protection et d'utilisation des animaux.

Une. Aperçu des systèmes

Un système de suivi vidéo interagit avec un système de contrôle du comportement de surveiller les progrès du rat dans une tâche donnée, d'évaluer les comportements cibles, la présentation du stimulus de contrôle et de livrer des récompenses basées sur les progrès du rat. Un système d'enregistrement électrophysiologique in vivo recueille des données de neurones pour les analyses d'événements liés. (Figure 1A).

  1. La projection au sol Maze
    1. La projection au sol Maze 2 est un champ ouvert sans murs (147,3 cm x 111,8 cm) avec un plexiglas incolore plancher libre (0,6 cm d'épaisseur). Le dessous de la chaussée est un gain unité d'écran Dual Vision Tissu qui est étiré sur un second rectangle de pièces en plexiglas (147,3 cm x 111,8 cm x 1,25 cm) pour la projection arrière à l'aide d'un projecteur à focale courte.
    2. Connectez le projecteurde la carte vidéo dans le système de comportement PC. Tenez le plexiglas, le tissu de l'écran, et le projecteur en utilisant un cadre en aluminium anodisé.
    3. Installez un cadre anodisé en tête de monter une caméra de tête et un système de poulie pour interfacer les ICS et headstage attaches pour le rat.
      Remarque: Branchez le cadre de maintien de la Maze de projection au sol et le cadre généraux pour assurer la continuité électrique et la terre au préamplificateur.
  2. suivi de la vidéo
    1. Enregistrer, suivre et analyser des vidéos en temps réel avec une seule caméra de tête décrite à l'étape 1.2.2.
    2. Monter une caméra aérienne (VGA standard, 80 fps) sur un cadre en aluminium anodisé en tête de surveiller le rat
    3. Utiliser soit des diodes électroluminescentes (DEL) attachés à la headstage du rat pour surveiller la position du rat, ou de suivre le centroïde du contour du rat avec un système de suivi automatisé.
    4. Utilisez le module de comportement Cineplex base pour analyser les données de position ONLine et également sauvegarder le fichier de données pour une analyse ultérieure hors ligne.
      Remarque: Nous utilisons le système de recherche comportementale Cineplex 3.4.1 pour l'enregistrement, le suivi et l'analyse de la position du rat. Le module de suivi Cineplex est utilisé pour le suivi du rat. Pour un suivi efficace de la progression de l'animal, utilisez le module de comportement Cineplex base pour créer des zones dans l'espace à deux dimensions à des positions pertinentes du labyrinthe qui ont une signification dans la tâche. Les zones peuvent être combinés en séquences, et des événements logiques Cineplex (tels que les entrées dans les zones et la réalisation des séquences) sont attribués de telle sorte que si le rat répond aux critères de la manifestation, cet événement devient vrai. Attribuer des événements avec sorties numériques et interface via une carte d'entrée de superport au système comportemental.
  3. Un système de commande de comportement entièrement automatisé
    1. Arène de test comportemental: Utilisez une arène de test en forme de appropriée pour la tâche comportementale sur la projection au sol Maze. Construire le sontna utilisant acrylique mat blanc et le placer directement sur la projection au sol Maze.
      Note: Les dimensions peuvent être personnalisés pour la tâche comportementale utilisée. Les murs sont généralement 45-50 cm de hauteur. Ici, nous utilisons les arènes de test double-face (nœud papillon labyrinthe 12) afin de maximiser le nombre d'essais effectués dans une session (figure 1B pour les dimensions du labyrinthe de nœud papillon). L'arène de test dispose de quatre zones désignées définies dans le logiciel de suivi: la région de l'Est de l'image, à l'ouest de la région de l'image, un prêt de la région de l'Est de première instance, et une zone de préparation de l'Ouest de première instance (figure 1C).
    2. Système comportemental: Un système d'interface comportement contrôlé par le logiciel MED-PC IV gère des programmes écrits en interne dans MEDstate de notation (voir l'annexe). Utilisez les événements de Cineplex système comportemental de suivre les progrès d'un rat au cours de la tâche, de contrôler la présentation de l'image, de fournir des signaux audio et offrir une récompense.
      1. Interface de la carte de sortie de superport à l'entrée numérique Omniplex pour acquérir le temps stAmped occurrences d'événements de comportement dans l'environnement logiciel PlexControl pour déconnecté analyses. Émettre des signaux sonores en utilisant un générateur audio programmable.
        Remarque: Les événements du comportement de l'appareil présenté ici peuvent utiliser de l'équipement de tiers (par exemple laser pour la stimulation optogenetic) via une carte de transfert de données si nécessaire.
      2. Maison superport carte de sortie, carte d'entrée de superport et générateur audio programmable dans une armoire d'interface de table. Interfacer les cartes avec une carte DIG-704PCI-2 PCI installée dans un ordinateur personnel (PC) en utilisant une carte de décodeur DIG-700F installé dans l'armoire de table.
      3. Livrer bipolaires ICS d'ondes carrés chez le rat en utilisant une autostimulation intracrânienne stimulateur programmable. Connectez l'unité de stimulateur au PC via une carte PHM152 COM. Paramètres recommandés de l'ICS: Pulse 1 et 2 Durée: 500 ps; délai entre impulsions 1 et 2: 500 ps; Fréquence: 100 Hz.
        Remarque: livraison ICSest automatisé au cours de la tâche, mais peuvent être livrés manuellement à l'aide d'une boîte de bouton programmable interfacé avec un module SmartCtrl.
  4. Neural système d'acquisition des données
    1. S'assurer que le système de projection au sol de cadre de Maze et ICS est fondée à le préamplificateur de la Neural Data Acquisition System Omniplex pour minimiser le bruit électrique dans les enregistrements de neurones.
    2. Simultanément la collecte de données de neurones, les coordonnées de position de Cineplex et drapeaux d'événements comportement du système comportemental dans le fichier de données hors connexion analyses.

2. Préparation des animaux

  1. Animaux
    1. Obtenir naïfs vieux 22 jours des rats mâles Long-Evans.
    2. Paire loger les rats et leur permettre de s'acclimater à la vivarium pendant une semaine.
    3. Poignée rats quotidien pour ~ 5 min.
    4. Une fois les rats atteignent 250-275 g, commencer horaires alimentaires maintenir leur poids corporel à 85-90% de leur poids d'alimentation libre. nous cibleroits sont augmentés de 10 g / mois jusqu'à rats atteignent 350 g.
    5. Maison individuelle les rats et poursuivre le programme alimentaire pour au moins une semaine avant le début de la chirurgie pour implanter stimulation et d'enregistrement des électrodes.
  2. Implantation chirurgicale
    Effectuer des procédures chirurgicales dans des conditions aseptiques standard et conformément aux directives institutionnelles et réglementaires.
    1. Anesthésier les rats avec de l'isoflurane.
    2. Faire une incision dans le cuir chevelu pour révéler le crâne pour le nettoyage et l'identification des bregma et lambda.
    3. Faire craniotomies les coordonnées pertinentes.
    4. Fixez les vis d'ancrage du crâne.
    5. Abaissez la pointe d'une électrode de ICS dans le MFB en utilisant les coordonnées suivantes: antéro-postérieur, -2,7 mm de bregma; latérale, ± 1,8 mm; dorso-ventral, -8,5 mm de la surface du crâne. Une deuxième électrode de ICS peut être implanté dans l'hémisphère opposé comme une sauvegarde en cas de mauvais fonctionnement de l'électrode.
    6. Fixez les électrodes de l'ICS à tes crâne et d'ancrage des vis à ciment osseux. Ne pas cimenter le socle (de boîtier en matière plastique sur l'électrode de stimulation) des électrodes.
    7. Abaissez les électrodes d'enregistrement dans le site d'intérêt et fixer le dispositif avec du ciment osseux.
    8. Placez le piédestal ICS loin de l'appareil d'enregistrement et de sécuriser les électrodes de l'ICS et les appareils d'enregistrement pour les vis d'ancrage avec du ciment osseux.
    9. Permettre la récupération d'au moins sept jours avant le début de l'accoutumance au protocole de mise en forme.

3. Façonner comportemental: général Shaping compose de trois étapes: précoce, intermédiaire et tardive Shaping (Figure 2).

Remarque: L'objectif de mise en forme précoce et intermédiaire est de former le rat de maintenir une «position d'attente» fixe dans la zone de Prêt pour chaque essai, et effectuer de nombreux essais dans une session. Semi-automatiser mise en forme de comportement si la formation peut être adaptée aux rythmes individuels d'un rat. Oncea rat maintient une «position d'attente» réussie, passez à la tâche de mise en forme spécifique (mise en forme tardive) dans le but de transférer le rat sur ​​un protocole entièrement automatisé pour le contrôle du comportement précis et impartial (Figure 2).

  1. Mise en forme précoce (figure 2A)
    1. Jour 1: habituer le rat à la salle de comportement pendant 10 minutes avec l'équipement sous tension, puis revenir à la colonie.
    2. Jour 2: Répétez l'étape 1, puis habituer l'animal à l'arène d'essai pendant 10 min.
    3. Jour 3: Connecter les ICS et les attaches de headstage chez le rat, et habituer le rat à la scène d'essai pendant 10 min.
    4. Jour 4: Déterminer le plus faible amplitude de ICS pour établir une préférence de place en utilisant un protocole préférence de conditionnement de lieu informel. Titrer Pulse 1 et 2 amplitudes. Des valeurs d'amplitude typiques sont de 20 à 80 uA.
    5. De jour 5: Livrer ICS récompense pour former les rats à associer la zone de préparation et présentations de l'est et de l'image à l'ouest avec IRécompense CS. Continuez jusqu'à ce que le rat est alternée entre l'Est et l'Ouest parties de l'image.
  2. Mise en forme intermédiaire (Figure 2B).
    1. Introduire un bruit blanc (50 dB) pour signaler le début d'un procès. Désactiver le bruit blanc lorsque le rat entre dans la zone de préparation.
    2. Automatiser la livraison ICS d'entrée dans la zone de préparation, et pour terminer «positions» prêts succès. Ajustez la probabilité de livraison ICS à l'entrée et réussi »position d'attente" pour renforcer les comportements.
      Remarque: Réglez les probabilités de récompense manuellement en fonction de la performance du rat individu pendant le façonnage. Diminuer les probabilités de récompense d'entrée dans la zone de préparation et le maintien de positions prêtes succès. Probabilité finale recommandée de récompense pour l'accomplissement de «positions prêts succès est de 5-10%. Les rats sont récompensés pour tous les bons choix.
    3. Commencez par de courtes durées "de position prête» (par exemple 200 ms). Augmentez graduellement la durée "position d'attente"tions de 100 msec.
    4. Allumez le bruit blanc si le rat brise prématurément la «position d'attente» de sorte que le rat doit redémarrer le procès.
    5. Déplacer à la fin de mise en forme quand rat est maintenant dans la «position prête» pour un maximum de 1200 ms.
  3. Mise en forme tardive (figure 2C).
    Remarque: La formation dans l'élaboration tardive est spécifique pour la tâche dans laquelle le rat va effectuer. Automatiser la formation dans cette étape de mise en forme pour un contrôle précis et impartial de tous les paramètres de la tâche, mais de maintenir la flexibilité de livrer manuellement récompenses de l'ICS. protocoles de formation pour les deux tâches sont décrites.
    1. Discrimination biconditional visuelle (vBCD) tâche: Utilisez stimuli visuels distincts pour former les rats sur une forme simple et luminance discriminence.
      1. Commencer le procès en tournant sur le bruit blanc.
      2. Hasard imposer «prêts de position« temps de latence de 700 - 1200 ms.
      3. Livrer ICS manuellement si nécessaire de renforcer succès 'po prêtsitions ».
      4. Présenter une paire d'images dans la zone de présentation de l'image. Présenter pseudo-aléatoire la bonne image sur le côté gauche ou droit de la zone de l'image.
      5. Livrer ICS pour une réponse correcte et effacer le sol. Une réponse correcte est enregistrée lorsque le rat entre dans la zone dans laquelle l'image correcte est situé. Le premier jour de la formation seulement, émettre une salve de 75 dB de bruit blanc comme un moyen de dissuasion pour une mauvaise réponse.
      6. Émettre un jugement de correction après un procès incorrect. essais de correction ont des paramètres identiques (côté gauche ou droit et latence "de position d'attente») que le procès incorrect précédente.
      7. Une fois que les rats sont capables de réaliser avec succès la discrimination simple, présenter les différents modèles de sol pour former la règle de discrimination biconditional.
      8. Présenter une nouvelle paire d'images et de deux modèles de sol distinctes pour servir de contexte. L'image correcte est subordonnée à la structure du sol, par exemple la station noirr est correcte lorsque le sol est gris et le cercle blanc est correcte lorsque le sol est rayé (figure 3C).
      9. Pseudo-affecter le modèle de sol et la position (gauche ou droite) de l'image correcte pour chaque essai veiller à ce que les essais sont compensées.
      10. Mettre en œuvre des essais de correction après un procès incorrect dans lequel les paramètres de l'essai sont identiques à l'essai précédent.
    2. Attention visuo-spatiale (VSA) tâche: cercles blancs présents à des endroits éclairés spatiales définies dans l'arène pour former les rats d'aborder la localisation spatiale du cercle de cible.
      Remarque: Pour cette tâche, l'arène a des cercles gris à différents emplacements spatiaux dans les parties de l'image de l'Est et de l'Ouest. Après une «position d'attente» de succès, le cercle cible s'allume (tourner blanc), et le rat doit aborder cet emplacement cible (figure 3B).
      1. Imposer au hasard latences "de position" prêt de 1,000-1,600 ms sur un procès à titre d'essai.
      2. Livrer ICS manuellement si nécessaire de renforcer les positions «prêts» à succès.
      3. Après l'achèvement de la «position d'attente», s'allumer de façon aléatoire l'un des cercles gris.
      4. Livrer ICS lorsque le rat pénètre dans la zone du cercle éclairé.
      5. Désactiver l'éclairage et de commencer l'essai suivant sur la (Est ou Ouest) côté opposé.
      6. Au début de mise en forme tardive, éclairer le cercle jusqu'à ce que le rat s'approche ou jusqu'à ce que le procès se termine (5 sec après éclairer le cercle). Note chaque procès soit correct ou un essai d'omission. Pour les essais d'omission, éclairer tout l'étage (plancher blanc présenté) et aucune récompense sera disponible jusqu'à la prochaine épreuve.
      7. Lorsque la performance du rat atteint 80% de réponses correctes, diminuer la quantité de temps le cercle reste allumé à 1 sec. Le rat a 5 secondes pour faire un choix.
      8. Ne pas récompenser des essais incorrects. Lancer l'essai suivant.
      9. Si un tri omissional, éclairer le sol et commencer un nouveau procès.
      10. À 80% de réponses correctes diminuer encore le temps le cercle de cible est illuminée à 500 ms.
      11. Choisissez l'emplacement des cibles au hasard avant chaque essai. Le rat continuera d'avoir 5 secondes à faire un choix avant tout l'étage s'allume pour signaler la fin de ce procès.
      12. Ne pas récompenser des essais incorrects ou omission. Le rat doit engager un nouveau procès sur le côté opposé de l'arène.
      13. Remarque: les cercles supplémentaires peuvent être ajoutés dans chaque zone de l'image pour augmenter encore la difficulté des tâches.

Representative Results

L'objectif des mesures générales de mise en forme est de s'acclimater le rat à l'arène de test, de former le rat à rester dans une 'position d'attente' fixe pour la présentation des stimuli visuels cibles, et l'approche de l'emplacement du stimulus visuel correct. Après l'accoutumance à la salle d'examen, arène, et des attaches, mise en forme précoce nécessite généralement 100-150 essais jusqu'à ce que les rats sont alternées entre les côtés est et ouest de l'arène. Au cours de l'élaboration précoce les rats courent généralement à travers la zone de préparation au centre de l'arène et passent la plupart du temps à explorer le périmètre de l'arène (figure 4A). Rats à l'étape de mise en forme intermédiaire apprennent progressivement à maintenir une «position d'attente» fixe dans la zone de Prêt nécessitant 600-700 essais. À ce stade, les chemins des animaux sont stéréotypés boucles de la zone de préparation de la zone de l'image avec moins de temps passé à explorer le périmètre du labyrinthe. Cependant, les rats ne maintiennent pas un "po prêt fixetion », indiquée par la vitesse à laquelle les rats traversent le centre zone de préparation (figure 4B).

À la fin de mise en forme intermédiaire, rats maintenir une «position d'attente» fixe dans la zone de Prêt avant d'aborder le stimulus visuel cible. Le rat déclenche alors l'essai suivant de l'autre côté de l'arène (figure 4C).

L'intégration du logiciel de suivi et le système d'acquisition de données de neurones d'un système de contrôle comportemental permet des analyses de données de neurones associés aux événements. Matrices d'électrodes pouvant être entraînés peuvent être placés stratégiquement pour enregistrer une seule unité et champ local activité potentielle. Les enregistrements ont été effectués dans le cortex postrhinal effectuées lorsque les rats vBCD la tâche. Perievent histogrammes et des diagrammes de trame montrent que les cellules dans le cortex postrhinal réagissent à l'apparition du stimulus visuel cible et à l'apparition du motif de fond (Figure 5A). Dans cortex pariétal postérieur de rats d'effectuer les tâches VSA cellules répondent à la présentation de l'image, et lorsque le choix a été fait en entrant la zone qui définit l'image de la cible (figure 5B). Champ activité potentielle locale cortex pariétal postérieur pendant le rendement à la tâche VSA montre une forte puissance dans la gamme de thêta (~ 8 Hz) lorsque les rats sont dans la «position d'attente» avant la présentation d'image (figure 5C).

Figure 1
Figure 1. Dispositif expérimental. A. Schéma des chambres de comportement et de contrôle. La projection au sol Maze est logé dans la chambre de comportement. Les rats sont surveillés par l'intermédiaire d'une caméra au-dessus. La salle de contrôle abrite les équipements à contrôler la tâche et de recueillir des données de neurones. B. Dimensionsle nœud papillon labyrinthe. C. Capture d'écran de Cineplex Studio. Les zones sont définies par l'utilisateur. Événements logiques sont envoyés en sorties numériques Cineplex au système de contrôle du comportement (Med Associates) pour suivre les progrès du rat. Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure 2
Figure 2. Schéma des étapes de mise en forme. R. Au début façonnent le rat reçoit ICS pour entrer dans la zone de préparation, et qui entrent dans les zones Est et Ouest de l'image. L'objectif est de former le rat à associer ces domaines avec ICS récompense. Mise en forme B. intermédiaire met l'accent sur ​​la formation des rats de maintenir une «position d'attente» fixe dans la zone de Prêt. Les images sont présentées ONLy après le maintien d'un «position d'attente» réussie. Les rats continuent à recevoir ICS pour aborder l'image dans la zone de l'image. C. A la fin de mise en forme, le rat est de maintenir avec succès un «position d'attente» fixe. La formation est la tâche spécifique, et le rat est formé pour apprendre les règles spécifiques à effectuer une tâche donnée. Foudre indique livraison ICS. Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure 3
Figure 3. A. Schéma de la tâche vBCD Lorsque le sol est gris, l'étoile noire est récompensé;.. Quand le sol est rayé, le cercle blanc est récompensé B. Schéma de la tâche VSA. Les cercles gris indiquent les emplacements cibles dans les domaines de l'image.Le stimulus cible est une brève (500 ms) éclairage (blanc) de l'un des cercles. Les rats sont récompensés pour approcher l'emplacement cible correcte. Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure 4
Figure 4. chemins Exemples pendant le façonnage des données. Position de deux segments minute d'un rat effectuer aux différentes étapes de mise en forme. Vitesse de l'animal est représenté par la carte de chaleur. Les couleurs froides représentent plus lentes vitesses et les couleurs chaudes représentent les plus rapides des vitesses. A. Pendant précoce façonner rats explorer et à l'arrière sur les parois extérieures des zones d'image Est et Ouest et ne s'arrêtent pas dans le Prêt zone. B. Un chemin stéréotypée commence à émerger dans sh intermédiairesingerie. Chemins forment une boucle vers les zones de l'image vers la zone de préparation. Les rats commencent à maintenir avec succès un «position d'attente» dans la zone de Prêt. C. Quand les rats progressent sur ​​mise en forme tardive, rats maintenir «positions prêts" fixes et les chemins des rats sont plus stéréotypée. Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure 5
Figure 5. Des exemples d'analyses de perievent liées A.. Les cellules enregistrées à partir du cortex postrhinal au cours de la tâche vBCD avec des réponses différentes à la présentation de l'image cible (à gauche), et la présentation de l'étage (à droite). B. Cellules enregistrées dans le cortex pariétal postérieur pendantVSA la tâche avec des réponses différentes à l'illumination du cercle (à gauche). Augmentation de tir après avoir choisi l'emplacement spatial dans lequel le cercle cible éclairée (à droite). C. Spectrogramme montrant la puissance thêta forte dans le cortex pariétal postérieur au cours de la «position d'attente». La ligne verticale rouge indique la fin du succès "position d'attente" et la présentation des images. La ligne bleue verticale indique la présentation du Etage 1 au procès démarre dans la tâche vBCD. La ligne verticale verte indique que le choix a été enregistrée dans la tâche VSA. Cliquez ici pour agrandir l'image.

Discussion

Nous décrivons formellement des protocoles de former des rats à des tâches complexes visuels cognitives entièrement automatisées sur la projection au sol Maze. La projection au sol Maze a été utilisée avec succès pour établir corrélats neuraux de conjonctions objet-localisation et des signaux d'erreur dans le cortex postrhinal pendant l'exécution d'une tâche de discrimination visuelle 2 choix 1.

Le protocole de mise en forme du comportement est conçu pour être flexible de sorte qu'il puisse être adapté en fonction du taux d'apprentissage d'un rat individuel. code personnalisé écrit pour le système comportemental permet à l'expérimentateur de contrôler la probabilité de livraison ICS automatisé lors des étapes cruciales lors de la formation, par exemple la formation de la «position d'attente». Le code devrait aussi permettre la livraison manuel d'ICS en utilisant une boîte de bouton programmable cours. L'objectif de mise en forme précoce est d'établir stimulation ICS efficace pour la livraison de récompense pour renforcer les comportements. Lorsque cela est possible, nous vous recommandons l'implantation stimuler électrodes bilatérale dans MFB en cas de stimulation inefficace dans un hémisphère. Notre expérience, cependant, est que la quasi-totalité des électrodes implantées de l'ICS ont été fonctionnels pour fournir un stimulus gratifiant. L'étape de mise en forme intermédiaire est essentiel pour la formation du rat à maintenir une «position d'attente» dans la zone de préparation. Dans la «position d'attente», le rat doit être immobile avec son nez pointant vers les parties de l'image où les images de choix vous sera présenté. La «position d'attente» contrôle le moment où les images apparaissent, la direction d'où le rat s'approche des images et la distance à laquelle le rat voit les images. Nous vous recommandons de suivi LED montés sur le headstage du rat de surveiller la direction dans laquelle la tête du rat pointe pour un meilleur contrôle du comportement et un contrôle plus précis de la présentation de l'image cible. Livraison manuelle des ICS peut être délivré à former des rats de maintenir la «position & # prêt approprié8217;. Lorsque le rat est de maintenir «positions» prêts satisfaisants dans chaque essai, la formation dans l'élaboration tardive est une tâche spécifique. Dans l'élaboration tardive rats sont formés pour apprendre les règles spécifiques à effectuer une tâche donnée.

Nous utilisons ICS tant que notre méthode de livraison de récompense que cette méthode fournit une rétroaction instantanée au rat traduit par un apprentissage plus rapide au cours du formage de comportement, et plus d'essais terminée en une séance lors de la collecte des données de neurones dans la tâche automatisée. livraison ICS, cependant, se traduit par des objets électriques dans les enregistrements de neurones, et peut être problématique pour l'analyse LFP continue ou plusieurs unités de données. L'intervalle autour de l'artefact électrique peut être retiré hors ligne à partir du fichier de données d'enregistrement neural avant l'analyse des données en continu. Objets stéréotypés de ICS dans les données de pic passe-haut filtré peuvent être facilement enlevés en ligne sans affecter seul pic analyses. Optimisation future de protocoles pour la projection au sol Maze comprend l'utilisation optogenoutils étique à offrir une récompense interne pour réduire et éliminer les artefacts associés à une stimulation électrique.

La projection au sol Maze est optimisée pour les capacités visuelles de rats et est donc mieux adaptée pour des tâches comportementales guidées visuellement. Il convient de noter que les comparaisons directes ne peuvent être faites entre paradigmes expérimentaux dans le labyrinthe de projection au sol et chambres opératoires en raison des différents protocoles expérimentaux utilisés et des définitions différentes de critère pour l'acquisition réussie d'une tâche donnée. Nous avons précédemment montré, cependant, que les rats ont acquis une tâche de discrimination visuelle 2-choix simple à ~ 50 essais dans la projection au sol Maze 2 par rapport à> 300 essais dans d'autres études où les images ont été présentées à la verticale dans les chambres opérant 3,10. La tâche VSA a été modelé après le 5 choix tâche de réaction classique de série 13 (5-CSRT) conçu pour évaluer attentionnel visuelprocédés. Typiquement, le 5-CSRT est effectuée dans une chambre opérant et besoin de l'animal pour faire un sac de nez dans le trou de nez poussée approprié indiqué par un flash de lumière, ici la tâche VSA est réalisée dans un espace ouvert où les animaux doivent rester fixe à un endroit précis dans l'arène, diriger leur attention sur les endroits cibles et attendre le stimulus lumineux apparaisse. Dans notre expérience, les rats doivent ~ 3200 essais pour atteindre le critère (75% sur deux jours consécutifs) dans le 5-CSRT 14 par rapport à ~ 800 essais à la tâche VSA dans la projection au sol Maze.

Un autre avantage de tâches comportementales effectuées sur la projection au sol Maze est que les tâches sont effectuées dans un grand espace ouvert, qui exploite la tendance naturelle du rat à explorer son environnement, par opposition à des tâches qui nécessitent l'animal de fixer son regard sur un cible fixe. Un avantage majeur de l'utilisation de rats se déplaçant librement dans un espace ouvert et# 160; dans l'appareil de Maze de projection au sol, c'est que l'information spatiale à la fois allocentré et égocentrique peut être recueilli de l'information visuelle. Un autre avantage de notre modèle est que les tâches ne doivent pas se limiter à la présentation d'images statiques. Position et caractéristiques des stimuli visuels qui sont dynamiques peuvent être utilisés dans les tâches futures. Utilisation des capacités de suivi du système de recherche comportementale Cineplex, les tâches peuvent être développés pour une compréhension fonctionnelle plus détaillée d'une structure donnée du cerveau. La combinaison des enregistrements électrophysiologiques simultanées avec des tâches cognitives visuellement guidées, des questions fondamentales sur la façon dont l'activité du cerveau est liée à des processus cognitifs tels que la prise de décision et la discrimination visuelle peuvent être explorées.

Utilisation des tâches guidées visuellement, les résultats des études de rat peuvent être mieux traduits de l'homme dans le but ultime de fournir des thérapies pour les maladies cognitives humaines.

Disclosures

frais de soumission pour cette vidéo-article est sponsorisé par Plexon Inc.

Acknowledgements

Ce travail a été soutenu par la NSF IOS 1146334, 0937848 NSF EFRI, DARPA N66001-10-C-2010, et la NSF IOS 0.522.220 de RDB. Nous remercions Stacie Hyatt à Plexon Inc pour l'assistance dans la préparation de ce manuscrit.

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

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References

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