משימות אוטומטיות חזותית קוגניטיבית להקלטה עצבית פעילות באמצעות הקרנה מקיר לקיר מבוך
Summary
אנו מתארים פרוטוקולים להכשרת חולדות עבור קלטות אלקטרו כרוניות במשימות קוגניטיביות אוטומטיות לחלוטין בהקרנה מקיר לקיר מבוך.
Abstract
משימות נוירופסיכולוגיים המשמשות בפרימטים לחקור מנגנונים של למידה וזיכרון הן בדרך כלל חזותית מודרכים משימות קוגניטיביות. פיתחנו משימות קוגניטיביות חזותיות לחולדות באמצעות ההקרנה מקיר לקיר מבוך 1,2 שמותאמים ליכולות חזותיות של חולדות המאפשרות השוואות חזקות יותר של ממצאי ניסוי עם מינים אחרים.
על מנת לחקור וקושרת עצבית של למידה וזיכרון, יש לנו משולב הקלטות אלקטרו למשימות קוגניטיביות אוטומטיות לחלוטין בהקרנה מקיר לקיר מבוך 1,2. תוכנת התנהגות ממשק עם מערכת מעקב בבעלי חיים מאפשרת ניטור של התנהגותו של בעל החיים עם שליטה מדויקת של הצגת תמונה ולתגמל תלויות לבעלי חיים טובים יותר מאומנים. אינטגרציה עם מערכת הקלטת אלקטרו in vivo מאפשרת בחינה של קושרת התנהגותיים של פעילות עצבית בתקופות נבחרות של משימה קוגניטיבית נתון. </ P>
אנו מתארים פרוטוקולים למערכת מודל המשלבת מצגת ויזואלית אוטומטית של מידע למכרסמים ותגמול תוך גולגולתי עם גישות אלקטרו. מערכת המודל שלנו מציעה סט של כלים מתוחכם כמסגרת למשימות קוגניטיביות אחרות לבודד טוב יותר ולזהות מנגנונים ספציפיים תורמים לתהליכים קוגניטיביים מסוימים.
Introduction
משימות חזותיים משמשות בדרך כלל במחקרים בבני אדם וקוף לבחון מנגנוני למידה וזיכרון בסיסי. מודלים של מכרסמים, לעומת זאת, הם יותר נגישים לחוקרים לקנה מידה גדולה יותר, טוב יותר מחקרים מבוקרים, ויש להם יתרון הנוסף של התרת טכניקות אלקטרו פולשניים יותר. בשילוב עם גישות אחרות, כגון מניפולציות גנטיות, קלטות אלקטרו בנעו בחופשיות חולדות לספק מודל שימושי עבור דווקא מיקוד מנגנונים ומעגלי תהליכים קוגניטיביים הבסיסיים. משימות חזותיות הפרימאטים דורשות נושאים לכוון את מבטו לגירויים חזותיים על צג, ואילו משימות חולדה דורשות נושאים לאינטראקציה עם סביבה. ההקרנה מקיר לקיר המבוך מנצלת את הנטייה הטבעית של חולדות כדי לחקור באופן פעיל הסביבה, תוך השתתפות בו זמנית לגירויים חזותיים.
משימות קוגניטיביות באמצעות מנגנוני מסך מגע שתוכננו במיוחד עבור מכרסמים אפשרותרגום טוב יותר של ממצאים ממודלים של מכרסמים לבני אדם 3. משימות מסך מגע מתבצעות בדרך כלל בחדר עם שני גירויים חזותיים ממדיים שהוצגו בצורה אנכית על קירות 3-7. משימות אלו דורשות מסך מגע בכפוף לאחורי לכיוון הגירוי החזותי היעד ולשבור photobeam אינפרא אדום או לחצו על משטח לחץ לרשום את תגובתה. עדויות אנטומיות והתנהגותיים, לעומת זאת, מראות כי חולדות לעבד מידע חזותי בhemifield החזותי נמוך יותר בצורה יעילה יותר להנחיית התנהגות 8-10. המעבדה שלנו פיתחה משימות קוגניטיביות ניצול ההקרנה מקיר לקיר מבוך 2 שבו גירויים חזותיים דו ממדים מוקרנים בחזרה על רצפת זירת המבחן. בהקרנה מקיר לקיר יכולה להיות במעקב חולדות במבוך בעת ביצוע משימות בזירה פתוחה גדולה בהשוואה למנגנון מסך מגע. לפיכך, ניתן לקבל מידע מרחבי בפעילות העצבית שנרשמה בנוסף לקושרת עצבית של מידע חזותיקבלת החלטות ד.
אנו מספקים גירוי תוך גולגולתי (ICS) לחבילה המדיאלי המוח הקדמי (MFB) כפרס 11. לשיטה זו של משלוח הפרס יתרונות על פני תגמולים מזון ומשקה. תגמולים מזון ושתייה יכולים להוביל לשובע, גם בחולדות שנשלל מזון, להגביל את מספר הניסויים בבעלי חיים יבצעו ואפשרות להאט את תהליך ההכשרה. ICS מספק תגמול מיידי מתן משוב מיידי על ביצוע משימה. תוצאות מיידי השכר בעיצוב ורכישה מהירים יותר ומפחיתות באופן משמעותי את משך הזמן של פרוטוקולי אימונים. יתר על כן, מספר גדול יותר של ניסויים יכול להסתיים בפגישה, להגדיל את כמות הנתונים שנאספו וכתוצאה מכך מדגם אמין יותר של התנהגות הקשורות למשימה.
שימוש במבוך הקרנה מקיר לקיר, אנו מתארים פרוטוקול כללי לעצב את ההתנהגות של חולדות כדי לבצע משימות קוגניטיביות מורכבות. תיפרוטוקול כללי של מספק מסגרת להכשרת חולדות על פני מגוון רחב של משימות מועסקות כיום להקלטה וקושרת עצבית של תשומת לב ואפליה חזותית 1. לפיכך, ההקרנה מקיר לקיר המבוך מותאמת ליכולות חזותיות של חולדות ומאפשרת השוואות חזקות יותר עם משימות חזותיות בבני אדם ופרימטים לא אנושיים.
Protocol
Representative Results
Discussion
אנחנו באופן רשמי לתאר פרוטוקולים לאמן חולדות על משימות אוטומטיות לחלוטין מורכבות חזותיות קוגניטיבית בהקרנה מקיר לקיר מבוך. ההקרנה מקיר לקיר המבוך שמשה בהצלחה להקים קושרת עצבית של צירופים אובייקט מיקום ואותות שגיאה בpostrhinal קליפה במהלך הופעה במשימה הבחנה ויזואלית 2 ברירה 1.
פרוטוקול עיצוב התנהגותי נועד להיות גמיש, כך שזה יכול להיות מותאם כדי להתאים את קצב הלימוד של חולדה בודדת. קוד מותאם אישית שנכתב עבור מערכת ההתנהגות מאפשר הנסיין לשלוט ההסתברות של משלוח ICS האוטומטי בשלבים קריטיים במהלך אימון; למשל אימון העמדה מוכנה ". הקוד צריך גם לאפשר מסירה ידנית של ICS באמצעות תיבת לחצן לתכנות ב. המטרה של עיצוב מוקדם היא להקים גירוי ICS יעיל למסירת הפרס כדי לחזק התנהגות. במידת האפשר מומלץ השתלת Stimulating אלקטרודות בילטרלי לMFB במקרה של גירוי לא יעיל בחצי כדור אחד. הניסיון שלנו, לעומת זאת, היה כי כמעט כל אלקטרודות מושתלות ICS היו פונקציונליות כדי לספק תמריצים מתגמל. שלב עיצוב ביניים הוא קריטי להכשרת החולדה כדי לשמור על 'עמדה מוכנה "בפינה מוכנה. בעמדה מוכנה ", החולדה צריכה להיות נייחת עם האף שלה והצביע לעבר האזורים בתמונה שבה תמונות הבחירה יוצגו. 'המצב מוכן' שולט בם מופיעים דימויי הכיוון שמן החולדה מתקרבת לתמונות ואת המרחק שממנו העכברוש רואה את התמונות. אנו ממליצים נוריות מעקב רכובים על headstage של החולדה כדי לפקח על הכיוון שבו ראשו של העכברוש הוא מצביע על שליטה טובה יותר של התנהגות ושליטה מדויקת יותר של מצגת תמונת היעד. ניתן להנפיק מסירה ידנית של ICS לאמן חולדות לשמור על "העמדה מוכנה המתאימה & #8217;. כאשר החולדה היא שמירה על עמדות מוכנות "משביעות רצון בכל ניסוי, הכשרה בעיצובה המאוחר היא משימה ספציפית. בעיצובה המאוחר חולדות מאומנים ללמוד כללים ספציפיים לביצוע משימה נתונה.
אנו משתמשים ICS כשיטת משלוח גמול שלנו, כמו בשיטה זו מספקת משוב מיידי לחולדה וכתוצאה מכך למידה מהירה יותר בעיצוב התנהגות, ועוד השלימה ניסויים בהפעלה בעת איסוף נתונים עצביים במשימה האוטומטית. משלוח ICS, לעומת זאת, גורם לחפצים חשמליים בהקלטות עצביות, ויכול להיות בעייתי לניתוח LFP הרציף או נתונים multiunit. המרווח סביב החפץ החשמלי ניתן להסיר מנותק מקובץ הנתונים העצבי הקלטה לפני ניתוח נתונים רציף. חפצים סטריאוטיפיים מICS בנתונים ספייק לעבור סינון גבוהים ניתן להסיר בקלות במצב לא מקוון מבלי להשפיע ספייק אחד הניתוחים. אופטימיזציה עתידית של פרוטוקולים להקרנה מקיר לקיר מבוך כוללת שימוש optogenכלים etic כדי לספק תגמול פנימי כדי למזער ולמנוע חפצים הקשורים לגירוי חשמלי.
ההקרנה מקיר לקיר המבוך מותאמת ליכולות חזותיות של חולדות ולכן היא מתאימה יותר למשימות התנהגותיות מודרכים מבחינה ויזואלית. יש לציין כי השוואה ישירה לא יכולה להתבצע בין פרדיגמות ניסוי במבוך הקרנה מקיר לקיר ותאי אופרנטית בגלל הפרוטוקולים שונים ניסיוניים המועסקים והגדרות שונות של קריטריון לרכישה מוצלחת של משימה נתונה. הראינו בעבר, עם זאת, כי חולדות שנרכשו משימת הבחנה ויזואלית 2-בחירה פשוטה ב~ 50 ניסויים בהקרנה מקיר לקיר מבוך 2 לעומת> 300 ניסויים במחקרים אחרים שבם תמונות הוצגו בצורה אנכית בתאי אופרנטית 3,10. משימת VSA הייתה במתכונת המשימה הקלסית 5 ברירה התגובה סידורי 13 (5-CSRT) נועדה להעריך קשב חזותיתהליכים. בדרך כלל 5-CSRT מתבצע בחדר אופרנטית ומחייב את בעל החיים כדי להפוך לדחוף את האף לחור האף-poke המתאים שצוין על ידי הבזק אור, כאן משימת VSA מתבצעת בזירה פתוחה שבו בעלי חיים חייבים להישאר נייח במיקום מסוים בזירה, להפנות את תשומת לבם למקומות היעד ומחכה לגירוי האור להופיע. מניסיוננו, חולדות נדרשו ~ 3,200 ניסויים כדי להגיע לקריטריון (75% בשני ימים עוקבים) ב14 5-CSRT לעומת ~ 800 ניסויים במשימת VSA בהקרנה מקיר לקיר מבוך.
יתרון נוסף של משימות התנהגותיות שבוצעו בהקרנה מקיר לקיר המבוך הוא שמשימות מתבצעות בזירה פתוחה גדולה, המנצלת את הנטייה הטבעית של העכברים כדי לחקור את סביבתו, בניגוד למשימות הדורשות את בעלי החיים כדי לתקן את המבט ל יעד נייח. יתרון עיקרי של שימוש בחולדות נעו בחופשיות בזירה ופתוחה160 #; במנגנון מבוך הקרנה מקיר לקיר הוא שמידע מרחבי שני allocentric והאגוצנטרי יכול להיות שנאסף עם מידע חזותי. יתרון נוסף של הפרדיגמה שלנו הוא שמשימות לא צריכים להיות מוגבלת להצגה של תמונות סטטיות. מיקום ותכונות של גירויים חזותיים שהם דינמיים יכולים לשמש במשימות עתידיות. שימוש ביכולות מעקב של מערכת מחקר התנהגות Cineplex, ניתן לפתח משימות להבנה פונקציונלית מפורטת יותר של מבנה מוח נתון. שילוב הקלטות אלקטרו בו זמנית עם משימות קוגניטיביות מודרכים חזותי, שאלות בסיסיות של איך פעילות המוח קשורה לתהליכים קוגניטיביים כגון קבלת החלטות ואפליה חזותית ניתן לחקור.
באמצעות משימות מודרכים חזותי, ממצאים ממחקרי עכברוש יכולים להיות טובים יותר בתרגום לבני אדם עם המטרה הסופית של מתן טיפולים למחלות הקוגניטיבי אנושיות.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי NSF IOS 1146334, NSF אפרים 0937848, DARPA N66001-10-C-2010, וNSF IOS 0,522,220 לRDB. אנו מודים Stacie הייאט בPlexon Inc לסיוע בהכנת כתב היד הזה.
Materials
| 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 | |
| PlexiGlass | 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 |
| Software | |||
| MED-PC IV Software | Med Associates Inc | SOF-735 | |
| OmniPlex Software | Plexon Inc | ||
| CinePlex Software: Tracking and Basic Behavior Modules | Plexon Inc | ||
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Minini, L., Jeffery, K. J. Do rats use shape to solve "shape discriminations". Learn. Mem. 13, 287-297 (2006).
- Milner, P. M. Brain-Stimulation Reward – a Review. Can. J. Psychol. 45, 1-36 (1991).
- Albasser, M. M., et al. New behavioral protocols to extend our knowledge of rodent object recognition memory. Learn. Mem. 17, 407-419 (2010).
- 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).
- Agster, K. L., Burwell, R. D. Structure and function of the rodent postrhinal cortex: comparisons to other cortical regions. , (2007).
