الآلي المهام البصرية المعرفي للتسجيل العصبية آخر باستخدام الإسقاط الطابق المتاهة
Summary
نحن تصف بروتوكولات لتدريب الفئران للالتسجيلات الكهربية المزمنة في المهام الإدراكية مؤتمتة بالكامل على إسقاط الدور المتاهة.
Abstract
المهام العصبية المستخدمة في الرئيسيات للتحقيق في آليات التعلم والذاكرة وعادة ما تكون موجهة بصريا المهام الإدراكية. وضعنا المهام الإدراكية البصرية للفئران باستخدام الإسقاط الطابق المتاهة 1،2 التي هي الأمثل للقدرات البصرية من الفئران السماح المقارنات أقوى من النتائج التجريبية مع الأنواع الأخرى.
من أجل التحقيق في يرتبط العصبية للتعلم والذاكرة، قمنا بدمج التسجيلات الكهربية في المهام الإدراكية مؤتمتة بالكامل على إسقاط الدور المتاهة 1،2. البرامج السلوكية ربطه مع نظام تعقب الحيوانات يسمح رصد سلوك الحيوان مع مراقبة دقيقة للعرض صورة ومكافأة الطارئة للحيوانات أفضل تدريبا. التكامل مع النظام في الجسم الحي تسجيل الكهربية تمكن من فحص يرتبط السلوكية من النشاط العصبي في العهود مختارة من مهمة إدراكية معينة. </ ع>
نحن تصف بروتوكولات لنظام نموذجي يجمع بين عرض مرئي الآلي للمعلومات لالقوارض والثواب داخل القحف مع النهج الكهربية. يقدم نظام نموذجنا مجموعة متطورة من الأدوات كإطار للمهام المعرفية الأخرى لعزل وتحديد آليات محددة تسهم في العمليات المعرفية خاصة أفضل.
Introduction
وتستخدم عادة في المهام البصرية دراسات الإنسان والقرد لدراسة آليات التعلم والذاكرة الأساسية. نماذج القوارض، ومع ذلك، هي أكثر سهولة في متناول الباحثين لنطاق أوسع، الدراسات التي تسيطر على نحو أفضل، ولها ميزة إضافية تتمثل في السماح تقنيات الكهربية أكثر الغازية. في تركيبة مع المناهج الأخرى، مثل التلاعب الجيني والتسجيلات الكهربية في الفئران تتحرك بحرية توفر نموذجا مفيدا لاستهداف آليات ودوائر العمليات المعرفية الكامنة على وجه التحديد. المهام البصرية الرئيسيات تتطلب الموضوعات لتوجيه أنظار للمؤثرات بصرية على الشاشة، في حين أن الفئران المهام تتطلب الموضوعات للتفاعل مع البيئة. والإسقاط الطابق المتاهة يستخدم الميل الطبيعي من الفئران بنشاط على استكشاف البيئة بينما كان يحضر في وقت واحد للمؤثرات البصرية.
وقد سمحت المهام المعرفية باستخدام أجهزة تعمل باللمس مصممة خصيصا للقوارضترجمة أفضل النتائج من نماذج القوارض للإنسان 3. وعادة ما يتم تنفيذ المهام تعمل باللمس في غرفة مع اثنين من المحفزات البصرية الأبعاد قدم عموديا على الجدران 3-7. هذه المهام تتطلب لمس هذا الموضوع إلى الخلفية نحو تحقيق هدف التحفيز البصري وكسر photobeam الأشعة تحت الحمراء أو اضغط على وسادة الضغط لتسجيل ردها. الأدلة التشريحية والسلوكية، ومع ذلك، تشير إلى أن الفئران معالجة المعلومات البصرية في hemifield البصرية أقل بشكل أكثر فعالية لتوجيه السلوك 8-10. وقد وضعت لدينا مختبر المهام المعرفية باستخدام الإسقاط الطابق المتاهة 2 الذي من المتوقع أن يعود محفزات بصرية ثنائية الأبعاد على أرضية الساحة الاختبار. في الطابق الإسقاط يمكن تتبع الفئران المتاهة عند تنفيذ المهام في ساحة مفتوحة كبيرة بالمقارنة مع أجهزة تعمل باللمس. وبالتالي، يمكن الحصول على المعلومات المكانية في النشاط العصبي سجلت بالإضافة إلى يرتبط العصبية من المعلومات البصريةاتخاذ القرارات د.
نقدمها التحفيز داخل القحف (ICS) لحزمة الدماغ الأمامي وسطي (MFB) كمكافأة 11. هذا الأسلوب من تسليم مكافأة له مزايا أكثر من الطعام والشراب المكافآت. الطعام والشراب المكافآت يمكن أن يؤدي إلى شبع، حتى في الفئران المحرومة من الطعام، مما يحد من عدد من التجارب وحيوان أداء ويحتمل أن تباطؤ عملية التدريب. ICS يسلم مكافأة فورية توفير التغذية الراجعة الفورية على أداء المهمة. نتائج مكافأة فورية في أسرع تشكيل واكتساب وبشكل كبير يقلل من مدة التدريب البروتوكولات. وعلاوة على ذلك، هناك عدد أكبر من المحاكمات يمكن أن تكتمل في الدورة، زيادة كمية البيانات التي تم جمعها والناتجة في عينة أكثر موثوقية من السلوك ذات الصلة المهمة.
باستخدام المتاهة الإسقاط الدور، فإننا سوف تصف بروتوكول عام على تشكيل سلوك الفئران لأداء المهام الإدراكية المعقدة. ثييوفر بروتوكول ليالي العام إطارا لتدريب الفئران عبر مجموعة متنوعة من المهام المستخدمة حاليا لتسجيل يرتبط العصبية من الاهتمام والتمييز البصري 1. وبالتالي، هو الأمثل لإسقاط الدور المتاهة للقدرات البصرية من الفئران ويسمح مقارنات أقوى مع المهام البصرية لدى البشر والرئيسيات غير البشرية.
Protocol
Representative Results
Discussion
وصفنا رسميا بروتوكولات لتدريب الفئران على المهام البصرية المعقدة مؤتمتة بالكامل المعرفية على إسقاط الدور المتاهة. وقد استخدم الإسقاط الطابق المتاهة بنجاح لإنشاء يرتبط العصبية من العطف الكائن في موقع وإشارات خطأ في القشرة postrhinal خلال الأداء على 2 الخيارات المهمة التمييز البصري 1.
تم تصميم بروتوكول تشكيل السلوكية لتكون مرنة بحيث يمكن تكييفها لتتناسب مع معدل التعلم على الفئران الفرد. كتابة التعليمات البرمجية المخصصة لنظام السلوكية يسمح للمجرب للسيطرة على احتمال تسليم الآلي ICS في المراحل الحرجة أثناء التدريب، على سبيل المثال تدريب "موقف جاهزة '. يجب أن تسمح أيضا رمز التسليم اليدوي من ICS باستخدام مربع زر للبرمجة خلال. الهدف من تشكيل المبكر هو إقامة التحفيز ICS فعالة للتسليم المكافأة لتعزيز السلوك. عندما يكون ذلك ممكنا ونحن نوصي زرع الأمراض المنقولة جنسياmulating أقطاب ثنائيا في MFB في حالة من التحفيز غير فعالة في نصف الكرة احدة. تجربتنا، ومع ذلك، كان أن ما يقرب من جميع أقطاب كانت ICS مزروع وظيفية لتقديم الحوافز مجزية. مرحلة تشكيل المتوسطة أمر بالغ الأهمية لتدريب الفئران على الحفاظ على "موقف جاهزة" في المنطقة جاهزة. في "موقف جاهزة"، وينبغي أن تكون الفئران ثابت مع أنفها لافتا نحو المناطق صورة حيث سيتم عرض الصور خيار. في "موقف جاهزة 'تسيطر عندما تظهر الصور، والاتجاه الذي الفئران تقترب من الصور والمسافة التي الفئران ترى الصور. نوصي المصابيح تتبع شنت على headstage الفئران لرصد الاتجاه الذي رأس فأر ومشيرا لتحسين السيطرة على السلوك ومراقبة أكثر دقة لعرض الصورة الهدف. يمكن أن تصدر التسليم اليدوي من ICS لتدريب الفئران للحفاظ على 'موقف واستعداد المناسبة #8217؛ عند الفئران هو الحفاظ على مرض 'مواقف جاهزة "في كل محاكمة، والتدريب في وقت متأخر هو تشكيل مهمة محددة. في وقت متأخر من تشكيل ويتم تدريب الفئران لمعرفة قواعد محددة لتنفيذ مهمة معينة.
نستخدم ICS كوسيلة لدينا من تسليم مكافأة يوفر هذا الأسلوب ردود الفعل الفورية على الفئران مما أدى إلى التعلم بشكل أسرع خلال تشكيل السلوكية، وأكثر من ذلك الانتهاء المحاكمات في جلسة عند جمع البيانات العصبية في المهمة الآلي. تسليم ICS، ومع ذلك، النتائج في التحف الكهربائية في التسجيلات العصبية، ويمكن أن يكون مشكلة لتحليل LFP المستمر أو البيانات المتعددة الوحدات. الفاصل حول قطعة أثرية الكهربائية يمكن إزالتها حاليا من الملف العصبية تسجيل البيانات قبل تحليل البيانات المستمر. التحف النمطية من ICS في تمرير تصفيتها بيانات عالية الارتفاع يمكن بسهولة إزالة متواجد حاليا دون أن يؤثر ارتفاع واحد التحليلات. يشمل التحسين مستقبل بروتوكولات لإسقاط الدور المتاهة باستخدام optogenأدوات ETIC لتقديم مكافأة الداخلية للحد والقضاء على القطع الأثرية المرتبطة التحفيز الكهربائي.
هو الأمثل لإسقاط الدور المتاهة للقدرات البصرية من الفئران، وبالتالي أكثر ملاءمة للمهام السلوكية الموجهة بصريا. تجدر الإشارة إلى أن المقارنات المباشرة لا يمكن أن يتم بين النماذج التجريبية في متاهة إسقاط الدور وغرف فعال بسبب البروتوكولات التجريبية المختلفة المستخدمة وتعاريف مختلفة للمعيار لاقتناء الناجح لمهمة معينة. لقد أظهرنا سابقا، مع ذلك، أن الفئران حصلت على 2 الاختيار مهمة بسيطة التمييز البصري في 50 محاكمات ~ في إسقاط الدور المتاهة 2 مقارنة مع> 300 المحاكمات في دراسات أخرى حيث عرضت الصور عموديا في غرف فعال 3،10. كان على غرار مهمة VSA بعد 5 الكلاسيكية الاختيار مهمة رد فعل تسلسلي 13 (5-المحكمة الخاصة) مصممة لتقييم الإنتباه البصريةالعمليات. وعادة ما يتم تنفيذ 5 من المحكمة الخاصة في غرفة فعال ويتطلب هذا الحيوان لجعل الأنف كزة في حفرة الأنف كزة المناسبة المشار إليها بواسطة ومضة ضوء، وهنا يتم تنفيذ المهمة VSA في ساحة مفتوحة حيث يكون الحيوان على البقاء ثابتة في موقع معين في الساحة، توجيه انتباههم إلى المواقع المستهدفة وانتظر التحفيز الضوء على ما يبدو. في تجربتنا، والفئران المطلوبة ~ 3،200 التجارب للوصول إلى المعيار (75٪ في يومين متتاليين) في 14 5-المحكمة الخاصة مقارنة مع 800 ~ المحاكمات في مهمة VSA في إسقاط الدور المتاهة.
فائدة أخرى من المهام السلوكية التي تجرى على إسقاط الدور المتاهة هو أن المهام التي نفذت في ساحة مفتوحة واسعة، والتي يستغل الميل الطبيعي من الفئران لاستكشاف بيئتها، بدلا من المهام التي تتطلب الحيوان لإصلاح النظرة لها ل هدف ثابت. والميزة الرئيسية لاستخدام الفئران تتحرك بحرية في ساحة مفتوحة و# 160؛ في جهاز الإسقاط المتاهة الدور هو أن المعلومات المكانية سواء غيري التركيز وأناني يمكن جمعها مع المعلومات البصرية. ميزة أخرى لنموذج لدينا هو أن المهام لا تحتاج أن يقتصر على عرض الصور الثابتة. موقف وميزات من المحفزات البصرية التي هي حيوية يمكن استخدامها في المهام المستقبلية. باستخدام قدرات تتبع نظام البحوث السلوكية سيني بلكس، المهام التي يمكن وضعها لفهم وظيفية أكثر تفصيلا من بنية الدماغ معينة. الجمع بين التسجيلات الكهربية في وقت واحد مع المهام المعرفية الموجهة بصريا، والأسئلة الأساسية كيف يرتبط نشاط الدماغ إلى العمليات المعرفية مثل صنع القرار والتمييز البصري يمكن استكشافها.
استخدام المهام الموجهة بصريا، والنتائج من دراسات الفئران يمكن ترجمتها أفضل للإنسان مع الهدف النهائي المتمثل في توفير العلاجات لأمراض المعرفية البشرية.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من قبل جبهة الخلاص الوطني IOS 1146334، 0937848 EFRI NSF، DARPA N66001-10-C-2010، وجبهة الخلاص الوطني IOS 0522220 لRDB. نشكر ستاسي حياة في Plexon شركة للحصول على المساعدة في إعداد هذه المخطوطة.
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).
