단일 단위 기록을 사용 하 여 원숭이 등 Visual 스트림에 개체 표현을 조사

요약

Parieto 정면 신경 visuomotor 변환에 관련 된의 개체 선택도 분석 하는 자세한 프로토콜 제공 됩니다.

초록

이전 연구 parieto 정면 지역 원숭이 두뇌의 뉴런 유사한 방식으로 실제 개체, 곡선된 표면 부동 정의 및 실제 개체 (와 차이 없이)의 이미지에 대 한 높은 선택 될 수 있습니다. 복 부 영상 스트림에서 설명합니다. 또한, 시각적 개체 정보를 파악 하는 동안 손의 미리 형성 하는 등 적절 한 모터 출력 변환할 parieto 정면 지역 추정 된다. 더 나은 외피 네트워크에서 개체 선택을 특성화 하기 위해 visuomotor 변환에 관련 된 우리 제공 테스트 parieto 정면 지역에서 뉴런의 표시 개체 선택도 분석 하기 위한 배터리.

서문

인간과 비 인간 영장류의 개체 파악 등 복잡 한 모터 작업 수행 능력을 공유 합니다. 이러한 작업을 성공적으로 수행 하려면 우리의 두뇌 모터 명령으로 내장 개체 속성의 변화를 완료 하는 데 필요 합니다. 이 변환은 정수 리 및 복 부 premotor 피 질^1,2,3 (그림 1)에 위치한 등 대뇌 피 질의 영역의 정교한 네트워크에 의존 합니다.

원숭이 인간^4,5병 변 연구, 우리 등 시각적 스트림-기본 시각 피 질에서 발생 하 고 후부 정수 리 피 질 쪽으로 이동-공간 비전 및 모터의 계획에 관여 알으십시오 작업입니다. 그러나, 스트림 등 분야의 대다수 하지 처리의 헌신. 예를 들어, 전방 intraparietal 지역 (AIP) 등 시각적 스트림의 끝 단계 분야 중 하나 파악 하는^6,7,8, 하는 동안 뿐만 아니라 시각 동안 발생 하는 신경 세포의 다양 한 포함 개체^7,8,,910의 검사.

AIP와 마찬가지로 지역 F5, 복 부 premotor 피 질 (PMv)에 있는 신경 세포 또한 응답 시각적 고정과 개체를 파악 하 고, 모터 동작¹¹로 시각적 정보 변환에 대 한 중요 한 될 것입니다. 이 지역 (subsector F5a)의 앞쪽 부분 포함 신경 볼록함이 (F5c)에 위치한 subsector 신경 포함^12,13, 이미지를 3 차원 (3D, 불균형 정의) 선택적으로 응답 미러 속성^1,3, 발사 특징 두 때 동물 수행 또는 작업을 관찰. 마지막으로, 후부 F5 지역 (F5p) visuomotor 신경 모두 관찰에 응답의 비율이 높은와 3D 개체^14,15의 파악 하는 손 관련 분야 이다. F5, 지역 45B, 옆 아치형 고 랑의 열 등 한 ramus에 있는, 또한 모양 처리^16,17 에 쥐고¹⁸관련 있을 수 있습니다.

정수 리와 전 두 엽 피 질에서 개체 선택을 테스트는 도전, 때문에 이러한 신경 응답 하는 기능 및 이러한 뉴런의 수용 필드는 결정 하기가 어렵습니다. 예를 들어 신경 원뿔 하지만 접시에 응답, 어떤 기능을 이러한 개체의 운전이 선택도: 2D 윤곽선, 3 차원 구조, 깊이, 방향 또는 많은 다른 특징의 조합? 개체 고정 하 고 파악 하는 동안 응답 하는 뉴런에 대 한 중요 한 개체 기능을 확인 하려면 사용 하는 개체의 이미지와 같은 이미지의 감소 된 버전을 사용 하 여 다양 한 시각적 테스트 필요가 있다.

AIP에 F5 뉴런의 상당한 일부분 뿐만 아니라 응답 개체의 시각적 프레 젠 테이 션 뿐만 아니라 동물 grasps이 개체 (즉, 시각적 정보의 부재에서) 어둠 속에서 때. 이러한 신경 파악 될 수 없는 개체의 이미지에 응답 하지 않을 수 있습니다. 따라서, 응답의 시각과 모터 구성 요소는 밀접 하 게 연결, 어려운이 지역에서 신경 개체 표현을 조사 하. Visuomotor 신경만 실제 개체와 테스트할 수 있습니다, 이후 우리 우리가 이러한 중요 한 기능을 확인 하 고 싶다면 다른 방향에서 시야에 다른 위치에 다른 개체를 제시에 대 한 유연한 시스템 필요 신경입니다. 후자의 얻을 수 있습니다 시각적 공간에서 서로 다른 위치에 다른 개체를 제시 수 있는 로봇에 의하여.

이 문서는 parieto 정면 뉴런의 연구에 관심이 있는 연구자는 실험 가이드를 제공 하고자 합니다. 다음 섹션에서 우리는 깨어 있는 짧은 꼬리 원숭이 원숭이 (Macaca mulatta)에서 파악 하 고 시각적 개체 응답의 분석에 대 한 우리의 실험실에서 사용 되는 일반 프로토콜을 제공 합니다.

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프로토콜

모든 기술적인 절차 관리 및 실험 동물의 사용 및 EU 지침 2010/63/EU에 대 한 국립 연구소의 건강의 안내에 따라 수행 했다 고 구 루벤의 윤리 위원회에 의해 승인 했다.

1. 일반 깨어 행동 원숭이에 Extracellular 녹음 방법

1. 특정 연구 문제를 해결 하는 데 필요한 시각 및 모터 작업을 수행 하는 동물을 훈련. 동물 신경을 광범위 하 게 테스트 하 고 신경 응답 (그림 2-3)를 운전 하는 특징의 더 나은 이해를 얻을 같은 녹음 세션 작업 간에 유연 하 게 전환할 수 있는지 확인 합니다.
   1. 동물 (VGG; '빛'에서 파악)를 파악 하는 Visually-Guided에 기차는 visuomotor의 구성 요소는 응답을 평가 하. 참고: 독립적으로 선택 하는 작업에서 점차적으로 제한 하지 액체 섭취 훈련 단계를 시작 하기 전에 적어도 3 일.
      1. 실험 세션의 전체 기간에 대 한 원숭이 머리를 제 지.
      2. 첫 번째 세션에서 손을 contralateral 휴식 위치에서 녹음 실로 누른 도움이 도달 하 고 파악 개체, 각 시도 후 수동 보상을 주는 동물.
      3. 각 시험의 끝에 휴식 위치에 다시 원숭이 손을 놓습니다.
      4. 모든 몇 가지 실험은 원숭이의 손을 놓고 동물 시작 자발적 움직임을 관찰 하는 몇 초.
      5. 원숭이 개체를 향해에 도달할 때마다 수동 보상을 적용 합니다.
      6. 언제 도달 단계 제대로 획득, 동물 (또는 풀) 개체와 보상을 수동으로.
      7. 1.1.1.4와 1.1.1.5, 원숭이 손 놓고 동물 시작 자발적 움직임을 관찰 하는 몇 초 기다립니다. 운동 제대로 수행 될 때마다 보상을 제공 합니다.
      8. 도달 수정, 위치, 및 절차 동안 필요한 만큼 여러 번으로 손목 방향 손.
      9. 동물 순서를 자동으로 수행 될 때까지 위의 단계를 반복 합니다.
      10. 자동 작업 로드. 동물 되 면 미리 정해진된 시간에 대 한 도달 범위 및 손 움직임을 수행할 때 자동으로 보상 됩니다.
      11. 점차적으로 개체의 처리 시간을 증가.
      12. 개체의 기지에 고정 포인트 프로젝트 레이저를 소개 합니다. 다음 모니터는 개체-에--파악 주위 눈 위치 눈 추적기를 추가 합니다.
   2. 동물에 Memory-Guided 파악 (MGG) 자극의 시각적 구성 요소에 의해 영향을 받지 않습니다 응답의 구성 요소를 모터에 기차.
      1. 원숭이 머리를 제 지.
      2. VGG 동물 전자 정의 된 창 내에서 작업 하는 동안 레이저에 고정 유지 확인에 대 한 설명 하는 동일한 단계를 따릅니다. 작업의이 버전에 대 한 빛의 고정 기간 끝에 터 지 면.
   3. 시각적인 응답 및 모양 선택 주소 수동 고정에 원숭이 훈련.
      1. 원숭이 머리를 제 지.
      2. (3D 자극 수동 고정) CRT 또는 LCD 모니터 (수동 고정 2D 자극의)를 사용 하 여 원숭이를 시각적 자극을 제시.
      3. 시각적 자극에 화면 중앙에 고정 자리를 제시.
      4. 자극의 각 프레 젠 테이 션 후 동물을 보상 하 고 고정 기간 작업의 표준에 도달 될 때까지 점차적으로 증가.
2. 수술, 커튼, 가운, 살 균 도구를 사용 하 여 수행 합니다.
   1. 동물 마 취 제와 anesthetize (15 mg/kg, 피하)와 medetomidine 염 산 염 (0.01-0.04 mL/kg 피하) 자극, 심장 박동, 호흡 속도 혈액에 동물의 응답을 확인 하 여 마 취를 정기적으로 확인 하 고 압력입니다.
   2. 전신 마 취를 유지 (propofol 10 mg/kg/h 정 맥) tracheal 튜브로 산소를 관리 하 고. Lanolim 기반 연 고를 사용 하 여 마 취를 하는 동안 아래 눈 건조를 방지 하기 위해.
   3. 0.5를 사용 하 여 진통 제공 Buprenorphine의 cc (0.3 mg/ml 정 맥). 수술 하는 동안 심장 박동의 증가, 경우 여분 복용량 시행 될 수 있습니다.
   4. MRI 호환 헤드 게시물 세라믹 나사와 아크릴 치과 이식. 엄격한 무 균 조건 하에서 모든 생존 수술을 수행 합니다. 살 균 분야의 적절 한 유지 보수, 일회용 멸 균 장갑, 마스크 및 불 임 악기를 사용 하 여.
   5. 해 부 자기 공명 영상 (MRI;에 의해 유도 Horsley-Clark 좌표), 관심의 영역 위에 craniotomy를 확인 하 고 원숭이 두개골에 녹음 실 임 플 란 트. 표준 녹음 챔버를 사용 하 여 단일 단위 세포 외 녹음 또는 여러 뉴런의 동시 기록에 대 한 multielectrode 마이크로 드라이브에 대 한.
   6. 수술 후, propofol 자발적인 호흡이 다시 시작 될 때까지 정 맥 관리를 중단 합니다. 의식 회복 될 때까지 동물 방치 고 완전 한 복구 후 사회 집단에서 동물을 소개 하지.
   7. 수술 후 진통; 기관 수 의사에 의해 권장 하는 대로 제공 예를 들어 Meloxicam을 사용 하 여 (5 mg/ml 피하).
   8. 실험을 시작 하기 전에 수술 후 6 주를 기다립니다. 두개골과 동물 개입에서 완 치가 보장을 머리 게시물의 더 나은 앵커리지 수 있습니다.
3. 기록 영역 (단일 단위 세포 외 기록)에 대 한 mri 검사와 컴퓨터 단층 촬영을 사용 하 여 지역화 (CT; multielectrode 녹음에 대 한).
   1. 2% 구리 황산 솔루션 유리 모 세관을 기록 표에 삽입.
   2. 구조상 MRI를 수행 (슬라이스 두께: 0.6 m m).
4. 신경 활동의 감시.
   1. 0.8-의 임피던스와 텅스텐 microelectrodes를 사용 하 여 1 m ω.
   2. 23 G 스테인레스 스틸 가이드 튜브와 유압 마이크로 드라이브를 사용 하 여 경질을 통해 전극을 삽입 합니다.
   3. 스파이크 차별, 증폭 및 필터링 300 및 5000 Hz 사이의 신경 활동.
   4. 로컬 필드 가능성 (LFP) 녹음, 증폭 하 고 1, 170 Hz 사이 신호를 필터링 합니다.
5. 눈 신호 모니터링
   1. 각 막 반사의 눈동자의 적절 한 이미지를 얻기 위해 동물의 눈 앞에 적외선 카메라를 조정 합니다.
   2. 적외선 기반 카메라를 사용 하 여 샘플 500 Hz에서 눈동자 위치.

2. 조사 등 분야에서 개체 선택

1. 시각 기반 쥐고 (VGG)을 수행 합니다.
   1. 파악 하는 연구의 목표에 따라 설치 오른쪽 선택: 회전 목마 설치 또는 로봇 설치 (그림 3).
   2. 회전 목마 설치 VGG 작업 실행:
      1. 원숭이 손 시퀀스를 시작 하는 완전 한 암흑에서 휴식 위치에 기록 된 반구 contralateral 배치 하자.
      2. 변수 시간 후 (intertrial 간격: 2000-3000 ms), 개체의 기지에서 빨간 레이저 (고정 포인트)를 적용 (거리: 원숭이 눈에서 28 cm). 동물 500 ms (± 2.5 °)는 전자적으로 정의 된 고정 창 그것의 시선을 유지, 위에서 개체에 광원을 밝히는.
      3. 가변 지연 (ms 300-1500), 레이저 (시각적 이동 큐) 도달 하 고 휴식 위치에서 손을 들어 원숭이 지시의 디 밍 프로그램, 후 잡고 누르고 개체 변수 간격 (시간 들고: 300-900 ms).
      4. 전체 시퀀스를 제대로 수행 하는 동물 때마다 주스 한 방울과 함께 그것을 보상.
   3. 비슷한 작업 시퀀스를 사용 하 여 로봇 설치에 대 한.
      1. 회전 목마 설치 서 원숭이 손을 시퀀스를 시작 하는 완전 한 암흑에서 휴식 위치에 기록 된 반구 contralateral 배치 하자.
      2. 변수 시간 후 (intertrial 간격: 2000-3000 ms), 개체 (고정 지점) LED 조명 (내;에서 거리: 원숭이 눈에서 28 cm). 다시, 동물 500 ms (± 2.5 °)는 전자적으로 정의 된 고정 창 그것의 시선을 유지, 백색 광원으로 내에서 개체를 밝히는.
      3. 가변 지연 (ms 300-1500), led (시각적 이동 큐) 전환, 휴식 위치 및 범위에서 손을 들어 원숭이 지시 파악 개체를 누른 가변 간격 (시간 들고: 300-900 ms).
      4. 전체 시퀀스를 제대로 수행 하는 동물 때마다 주스 한 방울과 함께 그것을 보상.
   4. 작업 하는 동안 타이밍에 특별 한 관심을 지불 하는 원숭이의 성능을 수량화 합니다. 측정값 모두 그리고 운동의 시작과 (시간 파악) 개체의 리프트 이동 신호 및 손 운동 (반응 시간)의 개시 사이 경과.
2. 메모리 기반 쥐고 (MGG; 수행 어둠 속에서 파악 '). MGG 작업을 사용 하 여 visuomotor 또는 모터 지배 신경 인지 확인.
   참고: 순서는 VGG, 설명 된 것과 유사 하지만 개체가 총 어둠 속에서 파악.
   1. 동일 VGG 작업, 하자 원숭이 장소 손이 기록된 반구 contralateral 시퀀스를 시작 하는 완전 한 암흑에서 휴식 위치에서.
   2. 변수 시간 후 (intertrial 간격: 2000-3000 ms), 빨간색 레이저/LED (고정 포인트)을 나타내는 고정 포인트 적용 (로봇 설치;에 대 한 개체의 가운데에 회전 목마 설치에 대 한 개체의 기지에서 거리: 원숭이 눈에서 28 cm) . 동물 유지 500 ms (2.5 °) + 전자 정의 고정 창 내는 시선, 개체를 밝히는.
   3. 고정된 된 시간 (400 ms), 후 빛 전환.
   4. 가변 지연 후 기간 (300-1500 ms) 빛에 따라 오프셋, dim/스위치 고정 지점 (서 큐) 원숭이 손을 도달, 파악, 리프트를 지시 하 고 물체 (개최 시간: 300-900 ms).
   5. 전체 시퀀스를 제대로 수행 하는 동물 때마다 보상으로 주스 한 방울을 제공 합니다.
3. 수동 고정을 수행. VGG 작업에 대해서는 연구의 목표에 따라 가장 적절 한 설정 (회전 목마 또는 로봇 설치)을 선택 합니다.
   참고: 두 개의 다른 수동 고정 작업을 수행할 수 있습니다: (사용 하 여는 개체-에--파악 회전 목마 및 로봇 설정을) 실제 개체 및 개체의 3D/2D 이미지의 수동 고정 수동 고정.
   1. 실제 개체의 수동 고정을 수행 합니다.
      1. 현재 고정 포인트 (적색 레이저 개체와 로봇 설치에 적색 LED의 기지에서 예상 하는 회전 목마 설치에 대 한).
      2. 만약 동물 500 ms (± 2.5 °)는 전자적으로 정의 된 고정 창 그것의 시선을 유지, 밝히는 2000 ms에 대 한 개체.
      3. 동물 1000 ms에 대 한 창 내에서 시선, 경우 주스 한 방울과 함께 그것을 보상.
   2. 개체의 3D/2D 이미지의 수동 고정을 수행 합니다.
      1. 모든 시각적 자극을 제시 (8 cd/m²의 휘도)에 모니터 (1280 × 1024 픽셀의 해상도)를 사용 하 여 빠른 부패 P46-형광체 및 120 Hz에서 운영 (시 거리: 86 cm).
      2. 3D 테스트에서 현재 자극 달린 디스플레이 (CRT 모니터), 왼쪽 및 오른쪽 눈 이미지를 교체해 두 ferroelectric 액정 셔터와 함께. 원숭이 눈 앞이 셔터, 60 Hz에서 찾아서 모니터의 주사율을 동기화 합니다.
      3. (고정 포인트, 0.2 ° × 0.2 °) 화면 중앙에 작은 사각형을 제시 하 여 재판을 시작 합니다. 눈 위치는 전자 정의 1 ° 평방 창 (훨씬 작은 실제 개체에 대 한 보다) 500 ms 이상 남아 있는 경우 500 밀리초의 총 시간에 대 한 화면에 시각적 자극을 제시.
      4. 때 원숭이 자극 오프셋까지 안정적인 고정 유지, 주스 한 방울과 함께 그것을 보상.
      5. 모양 선택의 적절 한 연구를 위해 다음과 같은 순서로 수동 고정 작업 동안 테스트의 포괄적인 배터리 2D 이미지와 함께 실행 합니다.
      6. 검색 테스트를 실행 합니다. (표면 이미지; 이미지의 넓은 세트를 사용 하 여 셀의 시각적 선택 테스트 그림 4A)는 VGG에서 파악 되는 개체의 그림을 포함 하 여. 이 작업과 모든 후속 visual, 강한 응답 ('기본 이미지' 되 나.) 두 번째 이미지는 신경은 약하게 응답을 evoking 이미지 (불리 ' nonpreferred 이미지') 비교. 연구 신경 응답 개체의 이미지에도, 특정 자극 구성 요소 셀의 응답 (컨투어 테스트, 수용 필드 테스트 및 감소 테스트) 운전에 대 한 검색.
      7. 윤곽선 테스트를 실행 합니다. 실제 개체 (2D 또는 3D 이미지 질감, 음영 및 관점을 포함)의 원래 표면 이미지에서 얻을 같은 자극 모양 (실루엣과 윤곽선;의 점차적으로 단순화 된 버전 그림 4B)입니다. 신경 원래 표면, 실루엣 또는 원래 모양에서 개요를 선호 여부를 결정 하기 위해 조건 당 적어도 10 타석을 수집 합니다.
      8. 받아들이는 필드 (RF) 테스트를 실행 합니다. 신경의 RF, 지도 하는 디스플레이에 다른 위치에 개체의 이미지를 제시 (이 실험에서 35 위치; 3 °의 자극 크기), 중앙 시야^19,20취재. 적절 한 시간에 모든 가능한 위치에 충분 한 자극 반복 수집, 자극 기간을 줄일 수 (번쩍 인된 자극, 자극 기간: 300 ms, intertrial 간격: 300 ms).
      9. 감소 테스트를 실행 합니다. 최소 효과적인 모양 기능 (MESF)를 식별 하는 RF의 센터에서 컨투어 조각 감소 테스트를 실행 합니다. 각 주요 축 (그림 3B) 따라 원래 윤곽선 모양 윤곽을 자르기 하 여 포토샵에서 자극의 집합을 생성 합니다. 적어도 70% 그대로 개요 응답 하 고 그 응답⁸보다 크게 작은 하지 응답을 evoking 작은 모양 조각으로는 MESF 디자인.
      10. 위치 종속성 (조각 선택에 자극 위치의 효과)의 더 나은 평가 대 한 두 개의 서로 다른 테스트를 실행합니다. 원래 개요 모양에서 차지 하는 위치에 있는 파편 감소 테스트를 실행 합니다. 도형의 질량 중심에서 파편 감소 테스트를 실행 합니다.
      11. 이 단계에서 새로운 RF 매핑은 MESF를 사용 하 여 실행 합니다.

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결과

그림 5 플롯 F5p 4 개체와 테스트 영역에서 기록 하는 예제 신경의 응답:-구체와 접시-두 개의 서로 다른 크기 (6, 3 cm)에 표시 된 두 개의 서로 다른 모양. 이 특정 신경 뿐만 아니라 큰 접시 (하단 왼쪽된 패널)에 큰 영역 (최적의 자극, 위 왼쪽된 패널), 뿐만 아니라 반응 했다. 비교에서는, 더 작은 개체에 응답은 약한 (상위 및 하위 패널을 오른쪽).

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토론

지 스트림 연구에 포괄적인 접근 방식이 필요 행동 작업 및 visual 테스트의 주의 깊은 선택: 결합 하거나 별도로 지역의 특정 속성에 따라 시각과 쥐고 패러다임을 채택 될 수 있다.

이 문서에서는, 우리는 신경 활동 시각 및 모터 작업의 하위 집합에 대 한 응답에서 AIP와 F5p에 기록 된의 예를 제공 하지만 매우 비슷한 응답 지역 45B 등 다른 정면 지역에서 관찰 될 수 있다 및 F5a.<...

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자료

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