Tek-unit kayıtları kullanarak nesne temsilcilikleri makak Dorsal Visual akışı soruşturma

Özet

Nesne seçicilik parieto-cepheden nöronların visuomotor dönüşümler ilgili analiz için detaylı bir protokol sunulmuştur.

Özet

Önceki çalışmalar parieto-cepheden alanlarda makak beynin nöronlar benzer bir şekilde gerçek nesneler, eşitsizlik tanımlı eğimli yüzeyler ve gerçek dünya nesneleri (ve eşitsizlik olmadan) görüntüleri için çok seçici olabileceğini göstermiştir ventral görsel akışında nitelendirdi. Buna ek olarak, parieto-cepheden alanlarda el açgözlü sırasında önceden şekillendirme gibi uygun motor çıkış, görsel nesne bilgileri dönüştürmek için inanılıyor. Daha iyi nesne seçicilik kortikal ağındaki karakterize etmek için fiş boşaltmaya karışan visuomotor dönüşümleri, görsel nesne seçicilik nöronların parieto-frontal bölgelerde çözümlemek amacıyla testi sağlar.

Giriş

İnsan ve insan dışı primatlar nesne açgözlü dahil olmak üzere karmaşık motor eylemler gerçekleştirme kapasitesine paylaşmak. Başarılı bir şekilde bu görevleri gerçekleştirmek için bizim beyin iç nesne özellikleri dönüşmenin motor komutları tamamlamak gerekiyor. Bu dönüşüm dorsal kortikal alanlarda parietal ve ventral premotor korteks^1,2,3 ' te (Şekil 1) bulunan gelişmiş bir ağ kullanır.

Maymunlar ve insanlar^4,5lezyon çalışmalardan bildiğimiz - primer görsel korteks kaynaklanan ve posterior parietal korteks doğru yönetmen - dorsal görsel akışı hem mekansal vizyon ve motor planlama yer Eylemler. Ancak, dorsal akım alanları çoğunluğu benzersiz bir işlem türüne sadık değil. Örneğin, ön intraparietal alan (AIP), dorsal görsel akışında son sahne bölgelerinden birinde sadece^6,7,8açgözlü sırasında aynı zamanda görsel sırasında yangın nöronlar çeşitli içerir Denetim nesnesi^7,8,9,10.

Benzer şekilde AIP, F5, ventral premotor korteks (PMv), bulunan bölgede sinirlerde de görsel fiksasyonu ve motor eylemler¹¹içine görsel bilgiler dönüşümüne önemli olması muhtemeldir açgözlü, nesne sırasında yanıt. Bu bölge (subsector F5a) ön kısmındaki nöronların içeren seçmeli olarak (eşitsizlik tanımlı üç boyutlu 3D için) yanıt gönderilir (F5c) yer alan subsector nöronlar içerirken,^12,13, görüntüleri ateş ayna özellikleri^1,3tarafından karakterize hem ne zaman bir hayvan gerçekleştirir veya bir eylem gözlemler. Son olarak, posterior F5 (F5p) yüksek oranda visuomotor nöronlar hem gözlem için duyarlı ve 3D nesneler^14,15açgözlü ile el ile ilgili bir alan bölgedir. F5 yanındaki alan 45B, arcuate sulkus aşağı ramus içinde bulunan, de şekil işleme^16,17 ve açgözlü¹⁸bulunabilir.

Bu nöronlar yanıt hangi özellikleri ve bu nöronların alıcı alanlar nelerdir belirlemek zordur çünkü nesne seçicilik parietal ve frontal korteks test, meydan okuyor. Bir tabak, ancak bir koni bir nöron yanıt verirse, örneğin, hangi özellikle bu nesnelerin bu seçicilik kullanıyor: 2D kontur, 3D yapısı, derinlik yönde veya birçok farklı özelliklerini? Nesne fiksasyon ve açgözlü sırasında yanıt nöronlar için kritik nesnesi özellikleri belirlemek için nesnelerin görüntülerini ve aynı görüntülerin sınırlı sürümleri kullanarak çeşitli görsel testleri istihdam gereklidir.

Ne zaman belgili tanımlık hayvan içinde belgili tanımlık karanlık (Yani, görsel bilgi yokluğunda) Bu nesne mezununda AIP ve F5 nöronlarda büyükçe bir kısmı sadece bir nesnenin görsel sunum için ama aynı zamanda yanıt verir. Böyle nöronlar kavramış olamaz bir nesneyi görüntüye yanıt vermeyebilir. Bu nedenle, görsel ve motor bileşenleri yanıt yakından, hangi geçici o zor nöronal nesne temsil bu bölgelerde araştırmak bağlanır. Bu yana visuomotor nöronlar sadece gerçek dünya nesneleri ile test edilebilir, esnek bir sistem özellikleri bunlar için önemli olduğunu belirlemek istiyorsanız, görme alanı farklı pozisyonlarda ve farklı yönler farklı nesneleri sunmak için ihtiyacımız nöronlar. İkincisi sadece görsel alanda farklı konumlardaki farklı nesneleri sunma yeteneğine sahip bir robot aracılığıyla elde edilebilir.

Bu makalede araştırmacılar parieto-cepheden nöronlar çalışmada baktılar için deneysel bir kılavuz sağlamak niyetinde. Aşağıdaki bölümlerde, biz bizim laboratuvarda uyanık makak maymunları (Macaca melez) açgözlü ve görsel nesne yanıtlarında analizi için kullanılan genel protokol sağlayacaktır.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protokol

Tüm teknik prosedürler uyarınca Sağlık Ulusal Enstitüsü Kılavuzu bakım ve kullanım Laboratuvar hayvanlarının ve AB Direktifi 2010/63/AB için gerçekleştirilen ve KU Leuven Etik Komitesi tarafından kabul edildi.

1. genel yöntemleri uyanık davranıyor maymunlar içinde ekstraselüler kayıtları için

1. Özel araştırma sorunu gidermek için gerekli görsel ve motor görevleri gerçekleştirmek için hayvan tren. Hayvan esnek nöron kapsamlı bir şekilde test ve nöral yanıt (Şekil 2-3) sürüş özellikleri daha iyi bir anlayış elde etmek amacıyla aynı kayıt oturumu sırasında görevler arasında geçiş yapabilirsiniz olduğundan emin olun.
   1. Visually-Guided (VGG; 'ışık' açgözlü) açgözlü hayvan tren yanıtının visuomotor bileşenleri değerlendirmek için. Not: bağımsız olarak seçilen görevden yavaş yavaş sıvı alımını en az üç gün başlamadan önce eğitim faz kısıtlar.
      1. Maymun'ın kafası deneysel oturum tüm süresince dizginlemek.
      2. İlk oturumlarda kayıt odasına istirahat konumunda el kontralateral tutun ve ulaşmak ve her girişiminden sonra el ile ödül veren nesne kavramak için hayvan yardım.
      3. Geri her sonu istirahat konumunda maymunun el koyabilir.
      4. Her birkaç deneme maymun eli serbest bırakmak ve hayvan kendiliğinden hareket başlatır gözlemlemek için birkaç saniye bekleyin.
      5. Maymun doğru nesne eriştiğinde el ile ödül uygulanır.
      6. Ulaşan faz doğru olarak alındığında, Asansör (veya çekmek için) nesne ve ödül hayvan el ile yardımcı olur.
      7. 1.1.1.4 ve 1.1.1.5, maymunun el serbest bırakmak ve hayvan kendiliğinden hareket başlatır gözlemlemek için birkaç saniye bekleyin. Hareketi doğru gerçekleştirildiğinde ödül vermek.
      8. Ulaşan doğru pozisyon ve gerekli sayıda bilek yönlendirme işlemi sırasında el.
      9. Hayvan sırası otomatik olarak gerçekleştiren kadar yukarıdaki adımları tekrarlayın.
      10. Otomatik görev yükleyin. Hayvan otomatik olarak önceden belirlenmiş bir süre için erişim ve kavramak hareketler yapar ödül.
      11. Yavaş yavaş nesne tutma süresini artırın.
      12. Tabanda fiksasyon noktası nesnesinin projeleri lazer tanıtmak. Daha sonra nesne-için-olmak-kavradı çevresinde göz pozisyonu izlemek için göz izci ekleyin.
   2. Hayvan içinde Memory-Guided açgözlü (uyarıcı görsel bileşeni tarafından etkilenmez, yanıt, motor bileşeni araştırmak için çıt) tren.
      1. Monkey's kafa tut.
      2. Hayvan elektronik olarak tanımlanmış bir pencere içinde görev sırasında lazer üzerinde tespit tutar emin VGG için açıklanan aynı adımları izleyin. Görev bu sürüm için fiksasyon dönemin sonunda ışık söner.
   3. Görsel yanıt verme ve şekil seçicilik adrese pasif fiksasyon maymun tren.
      1. Monkey's kafa tut.
      2. Görsel uyaranlara (3D uyaranlara pasif fiksasyonu) bir CRT veya LCD monitör (2D uyaranlara pasif fiksasyonu) kullanarak maymun mevcut.
      3. Görsel uyaranlara üst üste ekranın ortasında bir fiksasyon noktada mevcut.
      4. Hayvan uyarıcı her sunumdan sonra ödül ve yavaş yavaş görev standartlarının ulaşan kadar fiksasyon süresini artırma.
2. Ameliyat, steril araçları, perdeler ve önlük kullanarak.
   1. Ketamin hayvanla anestezi (15 mg/kg, İntramüsküler) ve medetomidine hidroklorid (0,04 0,01 mL/kg İntramüsküler) ve anestezi düzenli olarak hayvanın yanıt uyaranlara, nabız, solunum hızı ve kan kontrol ederek onaylayın basınç.
   2. Genel anestezi korumak (propofol 10 mg/kg/s intravenöz) ve oksijen trakeal tüp ile yönetmek. Lanolim tabanlı merhem ise anestezi altında göz kuruluğu önlemek için kullanın.
   3. 0,5 kullanarak analjezi sağlamak buprenorfin cc (0.3 mg/ml intravenöz). Ameliyat sırasında kalp hızı artması durumunda, ilave bir dozaj yönetilebilir.
   4. Mr uyumlu baş posta ile seramik vida ve diş akrilik implant. Tüm yaşam ameliyatları sıkı aseptik koşullar altında gerçekleştirmek. Tek kullanımlık steril eldiven, maske ve steril aletlerin steril alan bir yeterli bakım için kullanın.
   5. Anatomik manyetik rezonans görüntüleme (MRG; tarafından destekli Horsley-Clark koordinatları), bir kranyotomi ilgi alanı yapmak ve kayıt odası maymunun kafatasındaki implant. Standart kayıt odası tek birim hücre dışı kayıtları veya birden çok nöronlar aynı anda kayıt için bir multielectrode microdrive için kullanın.
   6. Ameliyattan sonra intravenöz propofol spontan kadar devam eder nefes yönetimini sona erdirme. Bilinci yerine geldi kadar hayvan çalıştırın ve hayvan sosyal grubunda yalnızca tam kurtarma sonra tanıtmak değil.
   7. Kurumsal veteriner tarafından tavsiye edilen şekilde ameliyat sonrası analjezi sağlamak; Örneğin Meloksikam kullanın (5mg/ml İntramüsküler).
   8. Deneme başlamadan önce ameliyattan sonra 6 hafta beklemek. Bu kafatası ve hayvan tamamen müdahale kurtarıldı garanti baş yazının daha iyi bir anchorage sağlar.
3. Kayıt alanı (tek birim hücre dışı kayıtları için) MRI ve bilgisayarlı tomografi kullanarak yerelleştirmek (CT; multielectrode kayıtları için).
   1. Cam kılcal bir % 2 bakır sülfat çözüm ile doldurun ve bir kayıt kılavuza ekleyebilirsiniz.
   2. Yapısal MRI gerçekleştirmek (dilim kalınlığı: 0.6 mm).
4. Sinirsel etkinliğini izlemeye.
   1. Tungsten microelectrodes 0.8-bir empedans ile kullanmak 1 MΩ.
   2. Elektrot 23 G paslanmaz çelik kılavuz tüp ve hidrolik microdrive kullanarak dura aracılığıyla ekleyin.
   3. Spike ayrımcılık için 300 ve 5.000 Hz arasındaki sinirsel aktivite filtre ve yükseltmek.
   4. Yerel alan potansiyel (LFP) kayıtları için 1 ve 170 Hz arasındaki sinyal filtre ve yükseltmek.
5. Monitör göz sinyal
   1. Öğrenci ve Korneal refleks yeterli bir görüntü elde etmek için hayvanın gözlerinin önünde kafasına bir kızılötesi kamera ayarlayın.
   2. Bir kızılötesi tabanlı fotoğraf makinesi 500 Hz öğrenci konumunda örneklemek için kullanın.

2. nesne seçicilik Dorsal alanlarda araştırma

1. Görsel olarak güdümlü açgözlü (VGG) gerçekleştirin.
   1. Kurulumuna bağlı olarak araştırma amacı açgözlü doğru seçmek: carousel Kur veya robot Kur (Şekil 3).
   2. Atlıkarınca kurulum için VGG görevi çalıştır:
      1. Sırayı başlatmak için karanlık dinlenme bulunduğu kaydedilen Yarımküre kontralateral el koyun maymun izin.
      2. Değişken bir süre sonra (intertrial aralığı: 2000-3000 ms), kırmızı lazer (fiksasyon noktası) nesne tabanında uygulamak (mesafe: maymun gözlerinden 28 cm). Hayvan (+/-2.5 °) 500 ms için bir elektronik olarak tanımlanan fiksasyon penceresi içinde dikkatini tutuyorsa, yukarıdan nesnesi bir ışık kaynağı ile aydınlatmak.
      3. Program değişken gecikme (300-1500 ms), sonra bir maymun ulaşmak ve dinlenme pozisyon elden kaldırmak için talimat lazer (görsel gitmek işaret) karartma, kavramak ve nesne bir değişken aralığı için tutmak (zaman holding: 300-900 ms).
      4. Hayvan tüm sıra doğru gerçekleştirdiğinde, suyu bir damla ile ödüllendirin.
   3. Benzer bir görev dizisi için robot Kur'u kullanın.
      1. Atlıkarınca Kur gelince sırası başlatmak için karanlık dinlenme bulunduğu kaydedilen Yarımküre kontralateral el koyun maymun izin.
      2. Değişken bir süre sonra (intertrial aralığı: 2000-3000 ms), nesne üzerinde (fiksasyon noktası) LED aydınlatmak (içerden; mesafe: maymun gözlerinden 28 cm). Hayvan (+/-2.5 °) 500 ms için bir elektronik olarak tanımlanan fiksasyon penceresi içinde dikkatini tutuyorsa, yine, beyaz bir ışık kaynağı ile içinde nesneden aydınlatmak.
      3. Değişken gecikme (300-1500 ms), geçiş yaptıktan sonra LED (görsel gitmek işaret), ulaşmak ve dinlenme pozisyon elden kaldırmaya maymun talimat kavramak ve nesne bir değişken aralığı için tutmak (zaman holding: 300-900 ms).
      4. Hayvan tüm sıra doğru gerçekleştirdiğinde, suyu bir damla ile ödüllendirin.
   4. Görev sırasında zamanlama özel dikkat maymun, performansını ölçmek. Git-sinyal ve el hareketi (reaksiyon zamanı) başlangıcı arasında ve hareketin başlangıcı ve Asansör (zaman açgözlü) nesnesinin arasında geçen süreyi ölçü her iki.
2. Bellek destekli açgözlü (çıt; gerçekleştirmek 'Karanlıkta açgözlü'). Çıt görev nöronlar visuomotor veya motorlu-baskın olup olmadığını belirlemek için kullanın.
   Not: Sıra VGG için açıklanan benzer, ancak nesneyi tamamen karanlıkta kavradı.
   1. VGG görev için aynı, izin maymun yerleştirin el kaydedilmiş Yarımküre kontralateral sırayı başlatmak için karanlık istirahat konumunda.
   2. Değişken bir süre sonra (intertrial aralığı: 2000-3000 ms), bir kırmızı lazer/fiksasyon noktasını belirtmek için LED (fiksasyon noktası) uygulamak (nesne nesne için robot Kur; ortasındaki atlıkarınca kurulum için temelini mesafe: maymun gözlerinden 28 cm) . Hayvan (+/-2.5 °) 500 ms için bir elektronik olarak tanımlanan fiksasyon penceresi içinde dikkatini tutuyorsa, nesne aydınlatmak.
   3. Bir sabit zaman (400 ms) sonra ışıkları kapat geçiş.
   4. Değişken bir gecikmeden sonra ışığı takip dönemi (300-1500 ms) ofset, dim/fiksasyon noktası (gitmek el ve ulaşmak, kavramak kaldırmak için maymun öğretmeyi CUE) anahtarı ve nesne tutun (zaman holding: 300-900 ms).
   5. Hayvan tüm sıra doğru gerçekleştirdiğinde, suyu bir damla bir ödül vermek.
3. Pasif fiksasyon gerçekleştirin. VGG görevini gelince araştırma amacı bağlı olarak en uygun kurulum (carousel veya robot Kurulum) seçin.
   Not: İki farklı pasif fiksasyon görevler gerçekleştirilebilir: pasif fiksasyonu (carousel ve robot ayarları kullanarak nesneleri-için-olmak-kavradı) gerçek dünya nesneleri ve Pasif 3D/2D görüntüleri nesnelerinin fiksasyonu.
   1. Gerçek dünya nesneleri pasif fiksasyonu gerçekleştirin.
      1. Fiksasyon noktası (kırmızı lazer nesne ve kırmızı LED robot kurulumunda temelini öngörülen atlıkarınca kurulum için) mevcut.
      2. Hayvan (+/-2.5 °) 500 ms için bir elektronik olarak tanımlanan fiksasyon penceresi içinde dikkatini tutuyorsa, nesne 2000 ms için aydınlatmak.
      3. Belgili tanımlık hayvan içinde belgili tanımlık pencere-1000 ms dikkatini tutuyorsa, suyu bir damla ile ödüllendirin.
   2. Pasif 3D/2D görüntüleri nesnelerinin fiksasyonu gerçekleştirin.
      1. Tüm görsel uyaranlara mevcut siyah bir arka plan (ışıklılık 8 cd/m²) bir monitör (Çözünürlük 1280 × 1024 piksel) kullanarak bir hızlı-çürüme S46-fosfor ile donatılmış ve 120 Hz'de işletilen (mesafe ile ilgilenen: 86 cm).
      2. 3D testlerde, bir çekim gücü stereoscopically bir ekran (CRT monitör), sol ve sağ göz görüntülerde alternatif tarafından iki ferroelectric sıvı kristal panjurlar ile birlikte mevcut. Bu kepenkleri maymunun gözleri önünde bulun, 60 Hz de çalışır ve monitörü dikey kuyruklar için eşitleyin.
      3. Deneme (fiksasyon noktası; 0.2 ° × 0.2 °) ekranın ortasındaki küçük bir kare sunarak başlamak. Bir elektronik olarak tanımlanmış 1 ° kare penceresi içinde (gerçek dünya nesneleri için çok daha küçük) en az 500 ms için göz pozisyon devam ederse, görsel uyarıcı 500 ms bir toplam süre üstünde belgili tanımlık perde, mevcut.
      4. Maymun uyarıcı uzaklığı kadar istikrarlı bir fiksasyon tutar zaman suyu bir damla ile ödüllendirmek.
      5. İçin yeterli bir çalışma şekli seçicilik testleri kapsamlı bir pil ile 2D görüntüleri aşağıdaki sırayla pasif fiksasyon görev sırasında çalıştırın.
      6. Bir arama testi çalıştırın. Görüntüler (yüzey görüntüler; geniş bir set kullanarak hücre görsel selectivity test Şekil 4A), fotoğraf kavradı nesne içinde VGG dahil. Bu ve sonraki görsel görevler için ikinci bir görüntü için zayıf nöron yanıt vermiyor ('tercih edilen görüntü' olarak adlandırdığı) en güçlü yanıt evoking görüntüyü (adlandırılan ' nonpreferred') karşılaştırın. Nöron altında eğitim Ayrıca nesneleri görüntülere yanıt verirse, hücrenin yanıt (kontur testi, alıcı alan testi ve azaltma test) sürüş belirli uyarıcı bileşenleri için arama.
      7. Bir kontur testi çalıştırın. Gerçek nesneler (doku, gölgelendirme ve perspektif içeren 2D veya 3D görüntüleri) orijinal yüzey görüntüleri aynı uyarıcı şekli (siluetleri ve özetliyor; aşamalı olarak Basitleştirilmiş sürümlerini edinmek Şekil 4B). Koşul başına en az 10 denemeler nöron özgün yüzeyi, siluet veya özgün Şeklin anahattını tercih edip etmediğini belirlemek için toplamak.
      8. Bir alıcı alanı (RF) testi çalıştırın. Bir nöron RF eşlemek için nesneleri bir ekranda farklı pozisyonlarda görüntülerini sunmak (Bu denemede 35 pozisyonlar; 3° boyutunu uyarıcı), merkezi görme alanı^19,20kapsayan. Makul bir süre içinde tüm olası pozisyonlarda yeterli uyarıcı tekrar toplamak için uyarıcı süresini azaltmak (parladı uyaranlara; uyarıcı süresi: 300 ms, intertrial aralığı: 300 ms).
      9. Azaltma testi. En az etkili şekil özelliği (MESF) tanımlamak için RF merkezinde sunulan kontur parçaları ile bir azaltma testi çalıştırın. Uyaranlara Photoshop'ta her ana eksenler (Şekil 3B) boyunca özgün kontur şekillerin kontur kırparak üret. MESF en az % 70 sağlam anahat yanıt ve değil önemli ölçüde daha küçük o yanıt⁸' den bir yanıt evoking en küçük şekil parçası olarak tasarlayın.
      10. Pozisyon bağımlılık (parça seçicilik konumuna uyarıcı etkisi) daha iyi bir tahmini için iki farklı testler. Orijinal anahat şeklinde işgal konumunda bulunan parçaları ile bir azaltma testi çalıştırın. Şeklin kütlenin Merkezi adlı parçalarıyla azaltma testi çalıştırın.
      11. Bu aşamada, MESF kullanarak yeni bir RF eşlemesi çalıştırın.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Sonuçlar

Şekil 5 arsalar alan F5p test dört nesneleriyle kaydedilmiş bir örnek nöron yanıt: - bir küre ve bir plaka-iki farklı boyutta (6 ve 3 cm) gösterilen iki farklı şekiller. Bu belirli nöron sadece büyük küreye (en uygun uyarıcı; üst sol kapı), ama aynı zamanda büyük tabak (alt sol panelde) yanıt verdi. Buna karşılık, daha küçük nesneleri yanıt zayıf (alt ve üst sağ kapı aynası).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Tartışmalar

Davranışsal görevleri ve görsel testler dikkatli bir seçim dorsal akım çalışma için kapsamlı bir yaklaşım gerektirir: görsel ve açgözlü paradigmalar kombine ya da ayrı ayrı bölge belirli özelliklerini bağlı istihdam.

Bu makalede, biz AIP ve F5p yanıt-e doğru görsel ve motor görevlerinin bir alt kümesini kaydedilen sinirsel aktivite örneklerini verir, ama çok benzer yanıt alan 45B gibi ön diğer alanlarda gözlenen ve F5a.

Biz iki dene...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Malzemeler

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