Автоматизированные Визуальные Задачи Когнитивные для записи нейронной активности с использованием этаж Проекция Maze
Summary
Мы описываем протоколы для обучения крыс для хронических электрофизиологических записей в полностью автоматизированных познавательных задач на полу Projection Maze.
Abstract
Нейропсихологические задачи, используемые в приматов для изучения механизмов обучения и памяти, как правило, визуально ориентироваться познавательных задач. Мы разработали визуальные познавательных задач для крыс, используя этаж Проекция Maze 1,2, которые оптимизированы для визуальных способностей крыс, позволяющих более сильные сравнения экспериментальных данных с другими видами.
Для того чтобы исследовать нейронные корреляты обучения и памяти, мы интегрировали электрофизиологические записи в полностью автоматизированные познавательных задач на полу Projection Maze 1,2. Поведенческая программа сопряжена с системой слежения животных позволяет контролировать поведение животного с точным контролем представления изображения и наградить непредвиденные к лучшему дрессированных животных. Интеграция с в естественных условиях электрофизиологических системы записи позволяет обследование поведенческих коррелятов нейронной активности в отдельных эпох данного когнитивной задачи. </ Р>
Мы описываем протоколы для модельной системе, которая сочетает в автоматизированную визуальное представление информации для грызунов и внутричерепного награду с электрофизиологических подходов. Наша система модель предлагает сложный набор инструментов в качестве основы для других когнитивных задач, чтобы повышать изолировать и идентифицировать конкретные механизмы, способствующие частности когнитивных процессов.
Introduction
Визуальные задачи обычно используются в человека и обезьяны исследований для изучения механизмов, лежащих обучения и памяти. Модели грызунов, однако, становится более доступным для исследователей для более широких масштабах, лучше контролируемые исследования, и имеют дополнительное преимущество в области предоставления разрешений более инвазивных электрофизиологических методов. В сочетании с другими подходами, такими как генетических манипуляций, электрофизиологических записей в свободно передвигающихся крыс обеспечивают полезную модель точно ориентации механизмы и схемы, лежащие в основе когнитивных процессов. Предстоятель визуальные задачи требуют субъектов направить взор на визуальные стимулы на мониторе, в то время как крысы задачи требуют субъектов взаимодействовать с окружающей средой. Этаж Проекция лабиринт использует естественное стремление крыс активно исследовать окружающую среду, одновременно проявляя внимание к зрительных стимулов.
Когнитивные задачи с помощью сенсорного экрана аппараты, разработанные специально для грызунов позволилилучше перевод выводов из моделей грызунов к человеку 3. Сенсорные задачи обычно проводят в камере с двумерных зрительных стимулов, представленных вертикально на стенах 3-7. Эти сенсорные задачи требуют тему в тылу к целевой визуальный стимул и сломать инфракрасный photobeam или нажмите на слой давления зарегистрировать свой ответ. Анатомические и поведенческих доказательств, однако, предположить, что крысы обрабатывать визуальную информацию в нижней визуального hemifield более эффективно для направления поведения 8-10. Наша лаборатория разработала познавательные задачи, использующие полу Проекция Maze 2, в которой двумерные визуальные стимулы назад прогнозируемые на пол испытуемого арене. В жилая Projection Maze крысы могут быть отслежены при выполнении задач в большой открытой арене по сравнению с сенсорным аппаратом. Таким образом, пространственная информация в записанном нейронной активности можно получить в дополнение к нейронные корреляты визуальной информации апг принятия решений.
Мы поставляем внутричерепное стимуляции (ICS) в медиальной пучок переднего мозга (MFB) в качестве награды 11. Такой способ доставки вознаграждение имеет преимущества перед продуктов питания и напитков награды. Еда и напитки награды может привести к насыщению, даже в пищевых лишенных крыс, ограничивая число испытаний животное будет выполнять и потенциально замедляя процесс обучения. ICS обеспечивает мгновенный награду обеспечивая немедленную обратную связь о выполнении задачи. Непосредственные результаты вознаграждение в быстрой формирования и приобретения и существенно сокращает продолжительность учебных протоколов. Кроме того, большее число испытаний может быть завершена в сеансе, увеличение количества данных, собранных и приводит к более надежной образца поведения, связанных задач.
Использование Этаж проецирования Maze, мы опишем общую протокол формировать поведение крыс выполнять сложные когнитивные задачи. Тхис общим протоколом обеспечивает основу для подготовки крыс в различных задач в настоящее время работают для записи нейронных коррелятов внимания и зрительного различения 1. Таким образом, покрытие Проекция Лабиринт оптимизирован для визуальных способностей крыс и позволяет более сильные сравнения с визуальными задач у человека и приматов.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы формального описания протоколов тренироваться крыс на полностью автоматизированных сложных визуальных познавательных задач на полу Projection Maze. Этаж Проекция Лабиринт успешно используется для установления нейронных коррелятов объектно-расположение союзов и сигналов ошибки в postrhinal коры во время выступления на 2-выбор задачи визуальной дискриминации 1.
Протокол поведенческий формирование предназначен быть гибким, чтобы его можно было адаптировать к скорость обучения отдельного крысы. Пользовательский код написан для поведенческой системы позволяет экспериментатор контролировать вероятность автоматизированной доставки ICS в критических шагов в процессе обучения; например обучение 'готовый позицию ». Код должен также позволяют вручную доставку ICS использованием программируемого окно кнопку во время. Цель раннего формирования является создание эффективной стимуляции ICS для доставки вознаграждение укрепления поведение. Когда это возможно, мы рекомендуем имплантацию STImulating электроды на двусторонней основе в МФБ в случае неэффективной стимуляции в одном полушарии. Наш опыт, однако, было то, что почти все имплантированные ICS электроды были функциональны доставить полезный стимул. Промежуточным этапом формирования имеет решающее значение для обучения крысу поддерживать "готовый позицию 'в готовый площадь. В «позицию готовности», крыса должна быть стационарной его нос направлен в сторону области изображения, где будут представлены отборные изображения. "Готова положение 'управляет когда появляются изображения, направление, с которого крысы подходы изображения и расстояние, с которого крысы просматривает изображения. Мы рекомендуем отслеживания светодиоды, установленные на headstage крысы контроля за направление, в котором голова крысы указывает для лучшего контроля поведения и более точного управления представления конечного изображения. Руководство поставка ICS может быть выдан для обучения крыс для поддержания соответствующего 'готовый позицию & #8217;. Когда крыса является поддержание удовлетворительных "готовые позиции 'в каждом испытании, обучение в позднем формировании является поручить конкретным. В позднем формировании крысы обучаются узнать конкретные правила для выполнения данной задачи.
Мы используем ICS как наш метод доставки награду как этот способ обеспечивает мгновенную обратную связь, чтобы крысы приводит к более быстрому обучению во поведенческой формирования, и более завершены испытания в сеансе при сборе нервные данные в автоматизированной задачи. Доставка ICS, однако, приводит к электрическим артефактов в нейронных записей, и может быть проблематичным для анализа непрерывный LFP или нескольких единиц данных. Интервал вокруг электрического артефакта могут быть удалены офлайн из нервного файла данных записи до непрерывного анализа данных. Стереотипные артефакты из ICS в высокочастотную фильтрацию данных шип может быть легко удалена форума, не затрагивая один шип анализы. Будущее оптимизация протоколов для пола Projection Maze включает в себя использование optogenEtic инструменты для доставки внутреннего награду, чтобы минимизировать и устранить артефакты, связанные с электрической стимуляции.
Этаж Проекция Лабиринт оптимизирован для визуальных возможностей крыс и, таким образом, лучше подходит для визуально управляемых поведенческих задач. Следует отметить, что прямое сравнение не может быть сделано между экспериментальными парадигм в Этаж Projection Maze и рабочих камерах из-за различных экспериментальных протоколов, используемых и различных определений критерия для успешного приобретения данной задачи. Ранее мы уже показали, однако, что крысы приобрел простой 2-выбор задачу визуальной дискриминации в ~ 50 испытаний в Этаж Projection лабиринт 2 по сравнению с> 300 испытаний в других исследованиях, в которых изображения были представлены вертикально в рабочих камерах 3,10. Задача VSA был составлен по образцу классического 5-выбор серийный задания на реагирование 13 (5-ТРСК) предназначен для оценки визуального вниманипроцессов. Обычно 5-CSRT осуществляется в камере оперантного и требует животное, чтобы сделать нос мешке в соответствующем нос совать отверстие, обозначенное световой вспышки; здесь задача VSA осуществляется в открытом арене, где животные должны оставаться стационарный в определенном месте на арене, направить их внимание на целевых местах и ждать появляться световой раздражитель. По нашему опыту, крысы требуется ~ 3200 испытания, чтобы достичь критерий (75% в течение двух последовательных дней) в 5-CSRT 14 по сравнению с ~ 800 испытаний в задачи VSA в полу Projection Maze.
Еще одно преимущество поведенческих задач, выполняемых на полу Projection Maze в том, что задачи выполняются в большой открытой арене, которая эксплуатирует естественное стремление крыс, чтобы исследовать его окружение, в отличие от задач, которые требуют животное исправить свой взор на неподвижная цель. Одним из основных преимуществ использования свободно передвигающихся крыс в открытом арене &# 160; в лабиринт аппарата Этаж Projection является то, что оба allocentric и эгоцентричны пространственная информация может быть собрана с визуальной информацией. Еще одно преимущество нашей парадигмы в том, что задачи должны не ограничиваться представлением статических изображений. Положение и особенности визуальных стимулов, которые динамический можно использовать в будущих задач. Использование отслеживания возможности поведенческой системы научных сотрудников Cineplex, задачи могут быть разработаны для более детального функционального понимания данной структуры мозга. Сочетание одновременно электрофизиологические записи с визуально управляемых познавательных задач, основные вопросы, как активность мозга связана с когнитивными процессами, такие как принятие решений и визуальной дискриминации могут быть изучены.
Использование визуально задачи под управлением мастера, выводы из исследования крыс можно лучше перевести для человека с конечной целью предоставления терапии для когнитивных заболеваний человека.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана NSF IOS 1146334, NSF EFRI 0937848, DARPA N66001-10-C-2010, и NSF IOS 0522220 в РБД. Мы благодарим Стейси Hyatt в Plexon Inc за помощь в подготовке этой рукописи.
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).
