Enquête sur les représentations d’objet dans le flux de Visual dorsale Macaque en utilisant des enregistrements unitaires

Résumé

Un protocole détaillé pour analyser la sélectivité objet de pariéto-frontal neurones impliqués dans les transformations visuomotrices est présenté.

Résumé

Des études antérieures ont montré que les neurones dans les régions pariéto-frontal du cerveau macaque peuvent être hautement sélectifs pour des objets réels, définie par l’écart des surfaces courbes et des images d’objets réels (avec et sans disparité) de manière similaire comme décrites dans le flux visuel ventral. Les régions pariéto-frontal sont estime en outre, pour convertir les informations de l’objet visuel en extrants moteurs appropriés, tel que la pré mise en forme de la main au cours de la saisir. Afin de mieux caractériser sélectivité d’objet dans le réseau cortical impliqué dans les transformations visuomoteur, nous fournissons une batterie de tests visant à analyser la sélectivité de l’objet visuel des neurones dans les régions pariéto-frontal.

Introduction

Les primates humains et non-humains partagent la capacité d’effectuer des actions complexes de moteurs y compris objet saisissant. Pour ces tâches avec succès, notre cerveau a besoin compléter la transformation des propriétés de l’objet intrinsèque en commandes de moteur. Cette transformation s’appuie sur un réseau sophistiqué d’aires corticales dorsales, située dans le cortex prémoteur pariétal et ventrale^1,2,3 (Figure 1).

D’études de la lésion dans les singes et les humains^4,5, nous savons que le flux visuel dorsal - originaires du cortex visuel primaire et orientée vers le cortex pariétal postérieur - est impliqué dans la vision spatiale et de la planification du moteur actions. Cependant, la majorité des zones de flux dorsale n'est pas consacrée à un type unique de traitement. Par exemple, la zone intraparietal antérieure (AIP), une des zones scène de fin dans le flux visuel dorsal, contient une variété de neurones qui le feu non seulement au cours de saisir^6,7,8, mais aussi pendant le visuel inspection de l’objet^7,8,9,10.

Semblable à l’AIP, neurones dans la zone F5, situé dans le cortex prémoteur ventral (PMv), répondent également au cours de la fixation visuelle et objet saisissant, qui est susceptible d’être important pour la transformation des informations visuelles en actions moteur¹¹. La partie antérieure de cette région (sous-secteur F5a) contient des neurones répond sélectivement à trois dimensions (3D, définie par l’écart) images^12,13, tandis que le sous-secteur situé dans la convexité (F5c) contient des neurones caractérisé par miroir propriétés^1,3, tir à la fois quand un animal effectue ou observe une action. Enfin, la région postérieure de F5 (F5p) est un domaine lié à main, avec une forte proportion de visuomotrices neurones sensibles à l’observation et la saisie des objets 3D^14,15. À côté de F5, superficie 45 b, situé dans la branche inférieure du sillon arqué, peuvent également être impliqués en forme traitement^16,17 et préhension¹⁸.

Test de sélectivité de l’objet dans le cortex pariétal et frontal est difficile, parce qu’il est difficile de déterminer quelles fonctions ces neurones répondent à et quels sont les champs récepteurs de ces neurones. Par exemple, si un neurone répond à une plaque, mais pas à un cône, qui présentent de ces objets est de conduire cette sélectivité : le contour 2D, la structure 3D, l’orientation en profondeur ou une combinaison de nombreuses caractéristiques différentes ? Pour déterminer les caractéristiques de l’objet critique pour les neurones qui répondent au cours de la fixation de l’objet et la saisie, il est nécessaire de recourir à divers tests visuels, à l’aide d’images d’objets et des versions réduites des mêmes images.

Une fraction non négligeable des neurones de l’AIP et F5 pas ne répond qu’à la présentation visuelle d’un objet, mais aussi lorsque l’animal saisit cet objet dans l’obscurité (c'est-à-dire, en l’absence d’informations visuelles). Ces neurones ne répondent pas à une image d’un objet qui ne peut être saisi. Par conséquent, des composantes visuelles et motrices de la réponse sont intimement liées, ce qui rend difficile d’enquêter sur la représentation d’objet neuronale dans ces régions. Étant donné que les neurones visuomotrices peuvent uniquement être testés avec des objets du monde réel, il faut un système souple pour présentation d’objets différents à différentes positions dans le champ visuel et à des orientations différentes si l'on veut déterminer quelles caractéristiques sont importantes pour ces neurones. Ce dernier n’est possible au moyen d’un robot capable de présenter des objets différents à différents endroits dans l’espace visuel.

Cet article se propose de fournir un guide expérimental pour les chercheurs intéressés par l’étude des neurones pariéto-frontal. Dans les sections suivantes, nous fournirons le protocole général utilisé dans notre laboratoire pour l’analyse des réponses d’objet de préhension et visuelle chez le macaque éveillé (Macaca mulatta).

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Protocole

Toutes les procédures techniques ont été réalisés conformément au Guide de l’Institut National de santé pour le soin et l’Use of Laboratory Animals et la Directive européenne 2010/63/UE et ont été approuvés par le Comité éthique de la KU Leuven.

1. Généralités les méthodes d’enregistrements extracellulaires dans singes éveillés se comporter

1. Former les animaux pour effectuer les tâches visuelles et motrices requises pour répondre à votre question spécifique de recherche. S’assurer que l’animal est en mesure de passer avec souplesse entre les tâches au cours de la même session d’enregistrement afin de tester le neurone intensivement et acquérir une meilleure compréhension des caractéristiques de conduite la réponse neuronale (Figure 2-3).
   1. Former l’animal en Visually-Guided saisir (Rawi ; saisir « à la lumière ») pour évaluer les composants visuomoteur de la réponse. Remarque : indépendamment de la tâche choisie, peu à peu restreindre l’apport liquidien au moins trois jours avant le début de la phase de formation.
      1. Retenir le tête de singe pendant toute la durée de la session expérimentale.
      2. Dans les premières séances, tenir la main controlatérale à la chambre d’enregistrement à la position de repos et aider l’animal pour atteindre et saisir l’objet, donnant la récompense manuelle après chaque tentative.
      3. Introduire à nouveau main de singe sur la position de repos à la fin de chaque essai.
      4. Chaque peu d’essais, relâcher la main du singe et attendez quelques secondes pour observer si l’animal initie le mouvement spontanément.
      5. Appliquer manuel récompense chaque fois que le singe tend vers l’objet.
      6. Lors de la phase pour atteindre est acquis correctement, aider l’animal à lever (ou tirer) l’objet et la récompense manuellement.
      7. Comme 1.1.1.4 et 1.1.1.5, relâchez la main de singe et attendez quelques secondes pour observer si l’animal initie le mouvement spontanément. Donner la récompense chaque fois que le mouvement est exécuté correctement.
      8. Corriger la réalisation, position et orientation du poignet comme autant de fois que nécessaire au cours de la procédure à la main.
      9. Répétez les étapes ci-dessus jusqu'à ce que l’animal effectue la séquence automatiquement.
      10. Charger la tâche automatique. L’animal est automatiquement récompensé lorsqu’il exécute les mouvements de reach et de saisir pour un temps prédéterminé.
      11. Augmentez graduellement le temps de retenue de l’objet.
      12. Introduire le laser qui projette le point de fixation à la base de l’objet. Ajouter ensuite le traqueur d’oeil pour surveiller la position de le œil autour de l’objet-à-être-compris.
   2. Le train de l’animal en saisissant de Memory-Guided (MGG) d’enquêter sur l’élément moteur de la réponse, ne pas affectée par la composante visuelle du stimulus.
      1. Empêcher la tête de singe.
      2. Suivez les mêmes étapes décrites pour le Jacob en s’assurant que l’animal conserve la fixation sur le laser au cours de la tâche dans une fenêtre définie par voie électronique. Pour cette version de la tâche, la lumière s’éteint à la fin de la période de fixation.
   3. Former le singe dans la Fixation du passif pour régler la sensibilité visuelle et la sélectivité de la forme.
      1. Empêcher la tête de singe.
      2. Présenter les stimuli visuels au singe en utilisant un écran CRT (fixation Passive des stimuli 3D) ou un moniteur LCD (Fixation Passive des stimuli 2D).
      3. Présenter un point de fixation au centre de l’écran, en surimpression sur les stimuli visuels.
      4. Récompenser l’animal après chaque présentation du stimulus et augmenter progressivement la durée de fixation jusqu'à atteindre les normes de la tâche.
2. Opérer, à l’aide des robes, des tentures et des outils stériles.
   1. Anesthésier l’animal avec la kétamine (15 mg/kg, intramusculaire) et du chlorhydrate de la médétomidine (0,01 à 0,04 mL/kg par voie intramusculaire) et confirmer l’anesthésie régulièrement en vérifiant la réponse de l’animal à des stimuli, fréquence cardiaque, fréquence respiratoire et le sang pression.
   2. Maintenir l’anesthésie générale (propofol 10 mg/kg/h par voie intraveineuse) et administrer de l’oxygène avec un tube trachéal. Un onguent à base lanolim permet de prévenir le dessèchement des yeux sous anesthésie.
   3. Fournir une analgésie à l’aide de 0,5 cc de la buprénorphine (0,3 mg/ml par voie intraveineuse). En cas d’augmentation de la fréquence cardiaque pendant l’intervention, une dose supplémentaire peut être administrée.
   4. Implanter un poste de chef MRI compatible avec vis en céramique et acrylique dentaire. Effectuer toutes les chirurgies de survie dans des conditions aseptiques strictes. Pour un entretien adéquat du champ stérile, utiliser des gants stériles jetables, masques et instruments stériles.
   5. Guidé anatomique imagerie par résonance magnétique (IRM ; Coordonnées Horsley-Clark), faire une craniotomie au-dessus de la zone d’intérêt et la chambre d’enregistrement sur le crâne de singe de l’implant. Utiliser une chambre d’enregistrement normalisé des enregistrements extracellulaires de logement unique ou une microdrive multi-électrodes, pour l’enregistrement simultané de plusieurs neurones.
   6. Après la chirurgie, cesser l’administration intraveineuse de propofol jusqu’au curriculum vitae de respiration spontanée. Ne pas laisser l’animal sans surveillance jusqu'à ce qu’il a repris connaissance et introduire l’animal dans le groupe social qu’après guérison complète.
   7. Fournir une analgésie post-opératoire tel que recommandé par le vétérinaire institutionnel ; Utilisez par exemple Meloxicam (5mg/ml par voie intramusculaire).
   8. Attendre 6 semaines après la chirurgie avant de commencer l’expérience. Cela permet un meilleur ancrage du poste tête au crâne et garantit que l’animal s’est complètement remis de l’intervention.
3. Localiser la zone d’enregistrement à l’aide de l’IRM (pour des enregistrements extracellulaires de logement unique) et la tomographie par ordinateur (CT ; pour enregistrements multiélectrodes).
   1. Remplir des capillaires en verre avec une solution de sulfate de cuivre 2 % et insérez-les dans une grille d’enregistrement.
   2. Effectuer MRI structurel (tranche épaisseur : 0,6 mm).
4. Surveillance de l’activité neurale.
   1. Utiliser des microélectrodes tungstène avec une impédance de 0,8 à 1 MΩ.
   2. Insérer l’électrode à travers la dure-mère à l’aide d’un tube de guidage en acier inoxydable 23G et une microdrive hydraulique.
   3. La discrimination de spike, amplifient et filtrent l’activité neuronale entre 300 et 5 000 Hz.
   4. Pour locaux potentiels (LFP) des enregistrements, amplifier et filtrer le signal entre 1 et 170 Hz.
5. Contrôler le signal de l’oeil
   1. Ajuster une caméra infrarouge devant les yeux de l’animal afin d’obtenir une image adéquate de la pupille et du réflexe cornéen.
   2. Utiliser une caméra à infrarouges pour échantillonner la position de la pupille à 500 Hz.

2. étudier la sélectivité d’objet dans les zones dorsales

1. Effectuez visuellement guidée préhension (Jacob).
   1. Choisir la bonne préhension installation selon l’objectif de la recherche : programme d’installation carrousel ou robot (Figure 3).
   2. Pour la configuration de carrousel, exécuter la tâche de Jacob :
      1. Laissez le singe à placer la main controlatérale à l’hémisphère enregistré dans sa position repos dans l’obscurité complète pour lancer la séquence.
      2. Après un temps variable (épreuves intervalle : 2 000-3 000 ms), appliquer un laser rouge (point de fixation) à la base de l’objet (distance : 28 cm des yeux les singes). Si l’animal maintient son regard dans une fenêtre de fixation définie par voie électronique (+/-2,5 °) pour 500 ms, éclairer l’objet par le haut avec une source lumineuse.
      3. Après un délai variable (ms 300-1500), programmer une gradation du laser (repère visuel de GO) chargeant le singe de lever la main de la position de repos et portée, saisir et tenir l’objet pendant un intervalle variable (temps de maintien : 300-900 ms).
      4. Quand l’animal exécute la séquence entière correctement, il récompense avec une goutte de jus.
   3. Utiliser une séquence de tâches similaires pour l’installation du robot.
      1. En ce qui concerne l’installation de carrousel, laissez le singe placer la main controlatérale à l’hémisphère enregistré dans sa position repos dans l’obscurité complète pour lancer la séquence.
      2. Après un temps variable (épreuves intervalle : 2 000-3 000 ms), allume la LED (point de fixation) sur l’objet (de l’intérieur ; distance : 28 cm des yeux les singes). Encore une fois, si l’animal maintient son regard dans une fenêtre de fixation définie par voie électronique (+/-2,5 °) pour 500 ms, éclairer l’objet depuis avec une source de lumière blanche.
      3. Après un délai variable (ms 300-1500), éteindre la LED (repère visuel de GO), enjoignant le singe de lever la main de la position de repos et portée, saisir et tenir l’objet pendant un intervalle variable (temps de maintien : 300-900 ms).
      4. Quand l’animal exécute la séquence entière correctement, il récompense avec une goutte de jus.
   4. Au cours de la tâche, quantifier les performances du singe, accordant une attention particulière pour le moment. Mesure les deux que le temps écoulé entre le signal go et le début du mouvement de main (temps de réaction), ainsi qu’entre le début du mouvement et de la levée de l’objet (saisir le temps).
2. Effectuer le guidage mémoire préhension (MGG ; « Saisir dans le noir »). Utilisez la tâche MGG pour déterminer si les neurones sont visuomotrices ou moteur-dominante.
   Remarque : La séquence est semblable à celle décrite pour le Rawi, mais l’objet est saisi dans l’obscurité totale.
   1. Identique à la tâche de Rawi, laissez le singe placer la main controlatérale à l’hémisphère enregistré dans sa position repos dans l’obscurité complète pour lancer la séquence.
   2. Après un temps variable (épreuves intervalle : 2 000-3 000 ms), appliquer une laser/LED rouge (point de fixation) pour indiquer le point de fixation (à la base de l’objet pour la configuration du carrousel, au centre de l’objet pour la configuration de robot ; distance : 28 cm des yeux les singes) . Si l’animal maintient son regard dans une fenêtre de fixation définie par voie électronique (+/-2,5 °) pour 500 ms, éclairer l’objet.
   3. Après un temps fixe (400 ms), éteindre la lumière.
   4. Après un délai variable (300-1500 ms) après lumière compensée, dim/éteindre le point de fixation (aller CUE) d’instruire le singe de lever la main et la portée, la portée et l’objet (temps de maintien : 300-900 ms).
   5. Quand l’animal exécute la séquence entière correctement, donner une goutte de jus comme une récompense.
3. Effectuer la fixation Passive. En ce qui concerne la tâche de Rawi, choisir la meilleure installation (carrousel ou robot) selon l’objectif de la recherche.
   Remarque : Les deux fixation passive différentes tâches peuvent être effectuées : fixation passive des objets réels (en utilisant les objets-à-être-compris dans les configurations carrousel et robot) et passive fixation d’images 3D/2D d’objets.
   1. Effectuer la fixation passive des objets réels.
      1. Présenter le point de fixation (laser rouge pour la configuration de carrousel prévu à la base de l’objet et la LED rouge dans la configuration de robot).
      2. Si l’animal maintient son regard dans une fenêtre de fixation définie par voie électronique (+/-2,5 °) pour 500 ms, éclairer l’objet pour 2 000 ms.
      3. Si l’animal conserve son regard dans la fenêtre pour 1 000 ms, il récompense avec une goutte de jus.
   2. Effectuer la fixation passive des images 3D/2D d’objets.
      1. Présenter tous les stimuli visuels sur fond noir (luminance de 8 cd/m²) à l’aide d’un moniteur (résolution de 1 280 × 1 024 pixels) équipé d’un décroissance rapide P46-phosphore et fonctionnant à 120 Hz (distance de visibilité : 86 cm).
      2. Les tests 3D, présente les stimuli en stéréoscopie en alternant les images de l’oeil gauche et à droite sur un écran (moniteur CRT), en combinaison avec deux volets des cristaux liquides ferroélectriques. Localiser ces volets devant les yeux du singe, fonctionner à 60 Hz et se synchroniser avec le retracer verticale de l’écran.
      3. Lancer l’essai en présentant un petit carré dans le centre de l’écran (point de fixation ; 0,2 × 0,2 °). Si la position de le œil reste dans une fenêtre carrée électroniquement définis 1° (beaucoup plus petite que pour les objets réels) au moins 500 ms, présenter le stimulus visuel sur l’écran, pour un temps total de 500 ms.
      4. Quand le singe maintient une fixation stable jusqu'à l’offset de la stimulation, le récompenser avec une goutte de jus.
      5. Pour une étude adéquate de la sélectivité de la forme, exécuter une batterie complète de tests avec des images 2D au cours de la tâche de fixation passive, dans l’ordre suivant.
      6. Exécutez un test de recherche. Tester la sélectivité visuelle de la cellule à l’aide d’un large ensemble d’images (images de surface ; Figure 4 a), y compris les photos de l’objet qui est compris dans le Rawi. Pour cela et toutes les tâches visuelles ultérieures, comparer l’image évoquant la réponse plus forte (appelée « image préférée ») à une seconde image auquel le neurone répond faiblement (appelé « image non »). Si le neurone l’étude répond également à des images d’objets, de rechercher des composants de stimulation spécifique conduite la réactivité de la cellule (essais de Contour, essai sur le terrain réceptif et réduction).
      7. Exécutez un test de Contour. Depuis les images originales de surface d’objets réels (les images 2D ou 3D contenant la texture, l’ombrage et perspective), obtenir des versions simplifiées progressivement de la même forme de stimulation (les silhouettes et les contours ; Figure 4 b). Recueillir au moins 10 essais par condition afin de déterminer si le neurone préfère la surface initiale, la silhouette ou le contour de la forme originale.
      8. Exécutez un test de champ réceptif (RF). Pour mapper la RF d’un neurone, présenter les images d’objets à des endroits différents sur un écran (dans cette expérience, 35 postes ; taille de la relance du 3°), couvrant le champ visuel central^19,20. Pour collecter suffisamment répétitions de stimulus à toutes les positions possibles dans un délai raisonnable, réduire la durée de la stimulation (stimuli flashé ; durée de l’impulsion : 300 ms, épreuves intervalle : 300 ms).
      9. Exécutez un test de réduction. Exécutez un test de réduction avec contours fragments présentés au centre de la Fédération de Russie pour identifier la fonction Minimum de la forme apparente (MESF). Générer l’ensemble des stimuli dans Photoshop par recadrage le contour de chacune des formes contours originales le long des principaux axes (Figure 3 b). Concevoir le MESF comme le plus petit fragment de forme évoquant une réponse qui est au moins 70 % de la réponse de contour intact et pas significativement plus petit que celui de la réponse⁸.
      10. Pour une meilleure estimation de la dépendance (l’effet de la position de stimulation sur la sélectivité du fragment) de la position, exécuter deux tests différents. Exécutez un Test de réduction avec les fragments situés à la position occupée dans le contour original. Exécutez un Test de réduction avec les fragments à centre de gravité de la forme.
      11. À ce stade, exécutez un nouveau mappage de RF à l’aide de la MESF.

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Résultats

Figure 5 parcelles les réponses d’un neurone exemple enregistré de domaine F5p testé avec quatre objets : deux différentes formes - une sphère et une plaque-montré dans deux tailles différentes (6 et 3 cm). Ce neurone particulier répond non seulement à la grande sphère (stimulation optimale, panneau gauche supérieur), mais aussi à la grande assiette (panneau inférieur gauche). En comparaison, la réponse aux plus petits objets a été plus fai...

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Discussion

Une approche globale de l’étude du flux de données dorsale nécessite une sélection rigoureuse des tâches comportementales et tests visuels : paradigmes visuels et préhension peuvent être employées ensemble ou séparément selon les propriétés spécifiques de la région.

Dans cet article, nous fournissons les exemples de l’activité neuronale enregistrée aux formats AIP et F5p en réponse à un sous-ensemble de tâches visuelles et motrices, mais des réponses très similaires p...

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matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Grasping robot	GIBAS Universal Robots	UR-6-85-5-A	Robot arm equipped with a gripper
Carousel motor	Siboni	RD066/†20 MV6, 35x23 F02	Motor to be implemented in a custom-made vertical carousel. It allows the rotation of the carousel.
Eye tracker	SR Research	EyeLink II	Infrared camera system sampling at 500 Hz
Filter	Wavetek Rockland	852	Electronic filters perform a variety of signal-processing functions with the purpose of removing a signal's unwanted frequency components.
Preamplifier	BAK ELECTRONICS, INC.	A-1	The Model A-1 allows to reduce input capacity and noise pickup and allows to test impedance for metal micro-electrodes
Electrodes	FHC	UEWLEESE*N4G	Metal microelectrodes (* = Impedance, to be chosen by the researcher)
CRT monitor	Vision Research Graphics	M21L-67S01	The CRT monitor is equipped with a fast-decay P46-phosphor operating at 120 Hz
Ferroelectric liquid crystal shutters	Display Tech	FLC Shutter Panel; LV2500P-OEM	The shutters operate at 60 Hz in front of the monkeys and are synchronized to the vertical retrace of the monitor