単一ユニットの録音を使用してサルの背側視覚ストリームのオブジェクト表現を調査

要約

頭頂前頭に関わるニューロンの視覚運動変換オブジェクトの選択を分析する詳細なプロトコルが表示されます。

要約

以前の研究では、サル脳の頭頂前頭領域のニューロンとして同様の方法で高選択的な実世界のオブジェクト、視差定義曲面、現実世界のオブジェクト (と格差なし) の画像にすることができます示されています。腹側視覚経路で説明します。また、頭頂前頭領域はビジュアル オブジェクト情報把握時の手の予成形など、適切な運動出力に変換すると考えられています。視覚運動変換に関与するより皮質ネットワークにおけるオブジェクト選択性を特徴付けるために、我々 は頭頂前頭領域のニューロンのビジュアル オブジェクトの選択を分析するためのテストのバッテリー提供します。

概要

ヒトとヒト以外の霊長類は、物体把持を含む複雑な運動を実行する容量を共有します。これらのタスクを正常に実行するには、私たちの脳は運動指令に組み込みのオブジェクトのプロパティの変換を完了する必要があります。この変換は、頭頂部と腹側運動前野^1,2,3 (図 1) にある背側皮質の高度なネットワークに依存しています。

サルとヒトの^4,5病変の研究から、我々 は背側視覚ストリーム - 一次視覚野を出発し、後部頭頂皮質に向けて - は空間的なビジョンとモーターの計画の両方に関与している知っています。アクション。ただし、背側ストリーム エリアの大半はないユニークなタイプの処理に捧げています。例えば、頭頂連合野 (AIP)、背側視覚ストリーム終了段階区域の 1 つは火の把握^6,7、8時だけでなく、視覚的にニューロンの様々 な含まれてオブジェクト^7,8,9,10の検査。

AIP と同様に、エリア、腹側運動前野 (PMv) にある F5 のニューロンは注視と物体把持、モーター アクション¹¹に視覚的情報の変換に重要と思われる中にも対応します。この地域 (サブセクター F5a) の前方の部分に神経細胞が含まれています^12,13, 画像三次元 (3 D、視差定義) に選択的に応答のサブセクター凸 (F5c) にあるニューロンが含まれています。ミラーのプロパティ^1,3、発火によって特徴付けられる両方とき動物を実行またはアクションを観察します。最後に、後方の F5 領域 (F5p) は視覚運動ニューロンの両方の観測に対応の割合が高いと 3 D オブジェクト^14,15の把握の手関連のフィールドです。弓状溝の下の枝に位置するエリア 45B、f5 キーの横にある、図形処理^16,17と把持¹⁸の両方に関与する可能性があります。

頭頂葉と前頭葉皮質でオブジェクトの選択のテストは困難なこれらのニューロン応答機能やこれらのニューロンの受容野を判別することは困難です。たとえば、ニューロンは、円錐形ではなく、プレートに応答する場合これらのオブジェクトの機能はこの選択性を運転です: 2 D 輪郭、3 D 構造、深さ、方向やさまざまな機能の組み合わせ?オブジェクトの固定をつかんで中に応答するニューロンの重要なオブジェクトの機能を決定するには、物体の画像と同じ画像の縮小バージョンを使用してさまざまなビジュアル テストを採用する必要です。

AIP と F5 のニューロンのかなりの割合だけでなくに応答オブジェクトの視覚的なプレゼンテーションも動物は (すなわち、視覚情報がない場合) 暗闇の中でこのオブジェクトを把握します。このようなニューロンは、把握できないオブジェクトのイメージに答えないかもしれない。したがって、応答の視覚と運動のコンポーネントは、これらの地域の神経の物体の表現を調査することは困難となる密接に、接続されます。視覚運動ニューロンは、実世界のオブジェクトでのみテストできる、のでこれらの重要な機能を決定する場合、視覚的なフィールドで別の位置と向きが異なるさまざまなオブジェクトを提示するため柔軟なシステムが必要ニューロン。後者は、視空間のさまざまな場所でさまざまなオブジェクトを提示可能なロボットによってだけ達成することができます。

この記事は、頭頂前頭神経細胞の研究に興味がある研究者の実験ガイドを提供する予定です。次のセクションでは、サル (猿アカゲザル) の把握、および visual オブジェクトの応答の解析の研究室で使用される一般的なプロトコルを提供します。

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プロトコル

すべての技術的な手順は、ケアおよび実験動物の使用と EU 指令 2010年/63/EU の国立衛生研究所のガイドに従って行われ、ルーヴェンの倫理委員会で承認されました。

1. 一般動作サルの細胞外記録法

1. あなたの具体的な研究の質問に対処するために必要な視覚と運動のタスクを実行する動物を列車します。動物が柔軟にニューロンを広範囲にわたってテストし、(図 2-3) の神経の応答運転機能のより良い理解を得るために、同じレコーディング ・ セッション中にタスクを切り替えることができることを確認します。
   1. Visually-Guided 把持 (重力鉛直勾配; '光' の把握) で動物の訓練、応答の視覚コンポーネントを評価します。注: 独立して選択したタスクから徐々 に制限しない水分摂取量トレーニング フェーズの開始前に少なくとも 3 日間。
      1. 実験的セッションの全体の持続期間のためのサルの頭を抑制します。
      2. 最初のセッションでは、安静時の位置で録音室に対側の手を握ってし、に到達し、各試行後に手動の報酬を与えるオブジェクトを把握する動物を助けます。
      3. 場所は、それぞれの試験の終わりに安静時の位置の猿の手をバックアップします。
      4. すべてのいくつかの試験は、猿の手を解放し、動物が自発的に運動を開始するかどうかを観察するため、数秒待っています。
      5. オブジェクトに向かって猿に達するたびにマニュアルの特典が適用されます。
      6. 到達段階が正しく取得されると、手動でオブジェクトと報酬を持ち上げる (またはプル) に動物を助けます。
      7. 1.1.1.4 と 1.1.1.5、猿の手を解放し、動物が自発的に運動を開始するかどうかを観察するを数秒待ちます。動きが正しく実行されるたびに報酬を与えます。
      8. 達することを修正、手の位置、およびプロシージャの間に必要な回数だけ手首の向き。
      9. 動物が自動的にシーケンスを実行するまで、上記の手順を繰り返します。
      10. 自動タスクをロードします。動物は、所定の時間に達すると把握運動を実行するときに自動的に報われます。
      11. オブジェクトの保持時間が徐々 に増加します。
      12. プロジェクトのオブジェクトのベースの固定点レーザーをご紹介します。その後、オブジェクト-に--把握する周りの目の位置を監視する目トラッカーを追加します。
   2. 動物の Memory-Guided の把握 (ウロ) 刺激の視覚的なコンポーネントによる影響を受けません、応答の運動成分を調査するための訓練します。
      1. サルの頭を抑制します。
      2. 動物が電子的に定義済みのウィンドウ内のタスクの中に、レーザーで固定を維持するかどうかを確かめる重力鉛直勾配の記載されている同じ手順に従ってください。このバージョンのタスクでは、光が固定期間の終わりに消灯します。
   3. 視覚的な応答と形状選択性に対処するための受動的な固定で猿を訓練します。
      1. サルの頭を抑制します。
      2. CRT (3 D 刺激の受動的な固定) または液晶モニター (2 D 刺激の受動的な固定) を使用して猿に視覚刺激を提示します。
      3. 視覚刺激の上に重ね、画面の中央に固定のスポットを紹介します。
      4. 刺激の各プレゼンテーションの後、動物を報酬し、固定期間タスクの基準に到達するまで徐々 に増加します。
2. 滅菌ツール、ドレープ ガウンを使用して手術を行います。
   1. ケタミンを用いた動物の麻酔 (15 mg/kg 筋肉内) およびメデトミジン塩酸 (0.01 0.04 mL/kg 筋肉内) 刺激、心拍、呼吸、血液への動物の応答を確認することで、麻酔を定期的に確認し、圧力。
   2. 維持麻酔 (プロポ フォール 10 mg/kg/h 静脈) 気管チューブと酸素を投与して。麻酔下で目の乾燥を防ぐために lanolim ベースの軟膏を使用します。
   3. 0.5 を使用して鎮痛を提供ブプレノルフィンの cc (0.3 mg/ml 静脈内)。手術中の心拍数の増加の場合は、余分な投与量を管理できます。
   4. セラミックねじと歯科アクリル MRI 互換性頭役をインプラントします。厳密な無菌条件の下ですべての生存の手術を実行します。滅菌フィールドの適切なメンテナンス、使い捨て滅菌手袋、マスク、滅菌器具を使用します。
   5. 解剖学的磁気共鳴画像 (MRI; に導かれてHorsley-Clark 座標)、関心の領域の上に開頭術を行うし、インプラントの猿の頭蓋骨の記録室です。単一の単位細胞外記録または多マイクロ ドライブは、同時複数ニューロン記録用の標準記録室を使用します。
   6. 手術後、自発呼吸が再開するまではプロポ フォールの静脈内投与を中止します。意識を取り戻したがそれまで動物を放置しないし、完全な回復の後にのみ社会的グループの動物を紹介します。
   7. 機関の獣医によって推薦されるように術後鎮痛を提供します。たとえばメロキシカムを使用 (5 mg/ml 筋肉)。
   8. 実験開始前に手術後 6 週間を待ちます。これにより頭蓋骨及び動物は介入から完治の保証、head、post の良い定着できます。
3. (単位細胞外記録) の MRI とコンピューター断層撮影を使用して記録領域をローカライズ (CT; 多録音)。
   1. 2% 硫酸銅液でガラス管を入力し、記録グリッドに挿入します。
   2. 構造 MRI を実行 (スライス厚: 0.6 mm)。
4. 神経活動を監視します。
   1. 0.8-のインピー ダンスを持つタングステン電極を使用して 1 MΩ。
   2. 23 G ステンレス ガイド チューブと油圧マイクロ ドライブ使用して硬膜を介して電極を挿入します。
   3. スパイクの弁別を増幅して 300 と 5,000 Hz の間の神経の活動をフィルターします。
   4. ローカル フィールド電位 (LFP) 録音のため増幅し、1 と 170 の Hz 間の信号をフィルターします。
5. 目の信号を監視します。
   1. 動物の目の瞳孔、角膜反射の適切なイメージを取得する前に赤外線カメラを調整します。
   2. 500 Hz で瞳位置をサンプルに赤外線ベースのカメラを使用します。

2. 調査背側領域でのオブジェクトの選択

1. 視覚誘導把持 (重力鉛直勾配) を実行します。
   1. 右の把握調査の目的に応じて、セットアップを選ぶ: カルーセル セットアップまたはセットアップ ロボット (図 3)。
   2. カルーセル セットアップ重力鉛直勾配のタスクを実行します。
      1. シーケンスを開始する完全な暗闇の中で安静時の位置で記録された半球に反対側の手を置く猿をしましょう。
      2. 可変時間後 (試行間間隔: 2,000-3,000 ms)、オブジェクトのベースで赤レーザー (注視点) を適用 (距離: サルの目から 28 cm)。動物は、その視線は 500 ms 間 (± 2.5 °) 電子的に定義された固定ウィンドウ内を管理している場合は、光源を上からオブジェクトを照らします。
      3. 可変遅延 (300-1500 ミリ秒)、プログラムは休息位置とリーチから手をリフトする猿を指示するレーザー (視覚移動) の調光後を持ち、変数の間隔、オブジェクトを保持 (保持時間: 300 から 900 ミリ秒)。
      4. 動物では、全体のシーケンスを正しく実行する、ときに、ジュースの滴と報酬を与えます。
   3. 同様のタスク シーケンスを使用してロボット セットアップ。
      1. カルーセルのセットアップに関しては、シーケンスを開始する完全な暗闇の中で安静時の位置で記録された半球に対側の手を置く猿をしましょう。
      2. 可変時間後 (試行間間隔: 2,000-3,000 ms)、オブジェクトの LED (注視点) を照らす (内; からの距離: サルの目から 28 cm)。再び、動物は、その視線は 500 ms 間 (± 2.5 °) 電子的に定義された固定ウィンドウ内を管理している場合は、白色光源の内からオブジェクトを照らします。
      3. 可変遅延 (300-1500 ミリ秒)、オフ (視覚移動) LED に切り替え、安静時の位置と範囲から手をリフトする猿を指示する把握し、変数の間隔、オブジェクトを保持 (保持時間: 300 から 900 ミリ秒)。
      4. 動物では、全体のシーケンスを正しく実行する、ときに、ジュースの滴と報酬を与えます。
   4. タスクでは、タイミングに特別な注意を払って、猿のパフォーマンスを定量化します。メジャー両方 go-信号と手の動き (反応時間) の発症および運動の開始、(時間の把握) オブジェクトのエレベーター間の経過時間。
2. 記憶誘導性把持 (MGG; を実行します。つかむ暗闇の中で」)。ウロ タスクを使用して、視覚または運動支配ニューロンがあるかどうか。
   注: シーケンスは、重力鉛直勾配の説明に似ていますが、暗闇の中でオブジェクトを把握します。
   1. 重力鉛直勾配タスクと同じ、let 猿手を置く記録された半球に対側シーケンスを開始する完全な暗闇の中で安静時の位置で。
   2. 可変時間後 (試行間間隔: 2,000-3,000 ms)、赤色レーザー/LED (注視点) 注視点を示すために適用 (ロボット セットアップ; オブジェクトの中心に、カルーセル セットアップ オブジェクトの基地で距離: サルの目から 28 cm).動物は、その視線は 500 ms 間 (± 2.5 °) 電子的に定義された固定ウィンドウ内を管理している場合は、オブジェクトを照らします。
   3. 一定時間 (400 ms) 後、電気は点けない。
   4. 可変遅延後ピリオド (300-1500 ms) の光オフセット、dim/スイッチ注視点 (行くキュー) 猿手、リーチの把握を持ち上げるために指示するために、オブジェクトを保持する (保持時間: 300 から 900 ミリ秒)。
   5. 動物では、全体のシーケンスを正しく実行する、ときに、報酬としてジュースのドロップを与えます。
3. 受動的な固定を実行します。重力鉛直勾配のタスクに関しては、研究の目的に応じて最も適切なセットアップ (カルーセルやロボット セットアップ) を選択します。
   注: 2 つの異なるパッシブ固定タスクを実行できます: パッシブの固定化 (カルーセルとロボットの設定で、オブジェクト-に--把握を使用して) 現実世界のオブジェクトとオブジェクトの 3 D ・ 2 D 画像の受動的な固定。
   1. 現実世界のオブジェクトの受動的な固定を実行します。
      1. 注視点 (オブジェクトとロボット セットアップで赤の LED の基部に投影されたカルーセル セットアップの赤いレーザー) を提示します。
      2. 動物は、その視線は 500 ms 間 (± 2.5 °) 電子的に定義された固定ウィンドウ内を管理している場合は、2,000 ms のオブジェクトを照らします。
      3. 動物 1,000 ms のウィンドウ内でその視線を保持する場合は、ジュースのドロップと報酬を与えます。
   2. オブジェクトの 3 D ・ 2 D 画像の受動的な固定を実行します。
      1. すべての視覚刺激を提示 (8 cd/m²の輝度) 黒の背景にモニター (解像度 1,280 × 1,024 ピクセル) を使用して高速崩壊 P46 蛍光体を搭載し、120 Hz で運営 (視聴距離: 86 cm)。
      2. 3 D テストで提示刺激両眼立体視ディスプレイ (CRT モニター) 上左と右目の画像を交互に 2 つの強誘電性液晶シャッターとの組み合わせで。猿の目の前でこれらのシャッターを見つけて 60 Hz で動作モニターの垂直帰線と同期します。
      3. (注視点; 0.2 × 0.2 °) 画面の中央に小さな四角形を提示して裁判を開始します。少なくとも 500 ms 間 (多くの実世界のオブジェクトより小さい) 電子的に定義された 1 ° 正方形ウィンドウ内で目の位置が残っている場合は、500 ミリ秒の合計時間の画面で、視覚刺激を提示します。
      4. 猿は、刺激のオフセットまで安定した固定を保持する場合は、ジュースの滴と報酬を与えます。
      5. 形状選択性の十分な検討、2 D 画像パッシブ固定タスクでは、次の順序で包括的な一連のテストを実行します。
      6. 検索テストを実行します。(表面画像; の広いセットを使用しているセルのビジュアル選択性をテストします。図 4 a)、重力鉛直勾配の把握は、オブジェクトの写真を含みます。これおよびすべてのそれに続くビジュアル タスクは、ニューロンが弱く応答する 2 番目の画像に最強の応答 ('最寄りのイメージ' と呼ばれる) を想起させるイメージ (と呼ばれる「そのイメージ」) を比較します。検討中のニューロン応答オブジェクトの画像にも、細胞の応答性 (輪郭テスト、受容野のテストおよび低減試験) を駆動特定刺激コンポーネントを検索します。
      7. 輪郭のテストを実行します。実際のオブジェクト (テクスチャ、陰影、視点を含む 2D または 3D 画像) の元の表面画像から同じ刺激図形 (シルエットとアウトライン; 徐々 に簡略化されたバージョンを入手します。図 4 b)。ニューロンが元のサーフェス、シルエットまたは元の図形からアウトラインを好むかどうかを決定するために 1 つの条件の少なくとも 10 の試験を収集します。
      8. 受容フィールド (RF) テストを実行します。ニューロンの RF をマップするには、ディスプレイ上の別の位置にオブジェクトの画像を提示 (この実験で 35 位置; 3 ° の刺激の大きさ)、中心視^19,20をカバーします。妥当な時間内のすべての可能な位置で十分な刺激の繰り返しを収集する刺激時間の短縮 (フラッシュ刺激; 刺激期間: 300 ms、試行間間隔: 300 ms)。
      9. 低減試験を実行します。最小有効な図形機能 (MESF) を識別するために RF の中心で発表された輪郭のフラグメントを低減試験を実行します。各主軸 (図 3 b) に沿って元の輪郭の形状の輪郭をトリミングして Photoshop で刺激のセットを生成します。そのままアウトライン応答とその応答⁸よりもかなり小さく、少なくとも 70% の応答を引き起こす最小の図形フラグメントとして、MESF を設計します。
      10. 位置依存性 (フラグメント選択性に及ぼす刺激提示位置の効果) の推定値を 2 つの異なるテストを実行します。元の輪郭形状で占められる位置にあるフラグメントの低減試験を実行します。図形の重心でフラグメントを低減試験を実行します。
      11. この段階で、MESF を使用して新しい RF マッピングを実行します。

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結果

図 5プロット F5p テスト 4 つのオブジェクト領域から記録例ニューロンの応答: - 球と板-2 つの異なるサイズ (6 と 3 センチ) に示すように 2 つの異なる図形します。この特定のニューロン応答だけでなく大規模なプレート (左下パネル) にも大きな球 (最適刺激; 上部左側のパネル)。比較では、小さいオブジェクトへの応答が弱かった (上部と下部パ...

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ディスカッション

背側ストリームの研究への包括的なアプローチの行動課題と視覚テストの慎重な選択が必要です: 結合したまたは地域の特定のプロパティに個別に応じて視覚的把握のパラダイムを採用できます。

この記事で私たちは視覚と運動タスクのサブセットに応答に AIP で F5p 記録神経活動の例を提供しますが、地域 45B など他の前頭領域で非常に類似した応答を観察できると F5a?...

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資料

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