Die Autoren möchten ihre Mitarbeiter auf Studien, die Augenbewegungen Überwachung beschäftigen Speicher, mit besonderem Dank an Eyal Reingold, Jiye Shen, Neal J. Cohen, Robert R. Althoff, Deborah Hannula und Dave Warren anzuerkennen. Diese Arbeit wurde von Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), Canadian Institutes of Health Research (CIHR), der Canada Research Chairs Programm und der kanadischen Stiftung für Innovation (CFI) unterstützt worden.

Ausrüstung während der Datenerfassung verwendet Eye-Tracker Die Eye-Tracker im aktuellen Protokoll ist ein EyeLink II-System (SR Research Ltd; Mississauga, Ontario, Kanada). Das Head-Mounted-, Video-basierte Eye Tracker zeichnet Augenposition in X, Y-Koordinatensystem mit einer Abtastrate von entweder 500 oder 250 Hz, mit einer räumlichen Auflösung von &lt;0,1 °. Eine Kamera wird verwendet, um Kopfposition per Infrarot-Markern mit Sensoren an den vier Ecken des Displays zu überwachen, dass von den Teilnehmern betrachtet wird gesetzt zu überwachen. Zwei weitere Kameras sind auf dem Stirnband unter jeder der Augen entfernt montiert und Infrarot-Strahler werden verwendet, um die Pupille und Hornhaut Reflexionen beachten. Eye-Position kann auf Schüler-und Hornhaut Überlegungen basieren, oder auf der Grundlage der Schüler nur. Der gepolsterte Kopfbügel des Eye-Tracker kann in zwei Ebenen eingestellt werden, um bequem die Kopfgröße eines erwachsenen Teilnehmer. Die meisten Brillen und Kontaktlinsen können durch die Eye-Tracker untergebracht werden. Computers Zwei PCs verwendet werden, um Augenbewegungen Aufnahme zu unterstützen. Ein Computer dient als Display-Computer, die die Kalibrierung Bildschirme, notwendige Aufgabe Anleitungen und die Bilder in der experimentellen Paradigma präsentiert den Teilnehmern. Das Display Computer Einzelheiten der Datenerhebung Parameter, die dann von dem zweiten, Host-Computer regiert werden. Der Host-Rechner berechnet in Echtzeit Blickposition und zeichnet die Augenbewegungen Daten für eine spätere Analyse, sowie eine Taste drücken oder die Tastatur Antworten machten die Teilnehmer. Teilnehmer Setup und den Betrieb der Eye-Tracker werden über den Host-PC durchgeführt. Software In diesem Protokoll, um das Timing und Ordnung, durch die experimentellen Stimuli werden den Teilnehmern vorgestellt werden, und die Art und Weise, in der Augen-Position ist durch den Host-PC erfasst werden durch Experiment Builder, ein Software-Programm, das speziell von SR Research Ltd entwickelt programmiert eine Schnittstelle mit dem Eye-Tracker Host-Computer. Allerdings kann Stimuluspräsentation auch durch andere Software-Programme (; Albany, CA zB Präsentation, Neuropsychologische Systems) durchgeführt werden. Die Umwandlung der Augenbewegung Daten zu einer Reihe von Fixierung und Sakkade Ereignisse sind zeitlich gesperrt werden, um Reiz-Präsentation (oder ein anderes externes Ereignis) wird durch den Host-Computer erreicht und können mit Data Viewer, ein Software-Programm von SR Research Ltd entwickelt abgefragt werden , aber wieder, können andere Programme verwendet werden, um daraus die erforderlichen Maßnahmen Augenbewegungen werden. Hier sind die Erkennung von Fixationen und Sakkaden abhängig von einer Online-Parser, der Roh-eye movement Proben trennt in sinnvolle Staaten (Sakkaden, blinkt und Fixierungen). Wenn die Geschwindigkeit von zwei aufeinanderfolgenden eye movement Proben übersteigt 22 Grad pro Sekunde über eine Distanz von 0,1 °, werden die Proben als Sakkade bezeichnet. Wenn die Schüler für 3 oder mehr Proben fehlt, ist das Auge Tätigkeit als blink innerhalb des Datenstroms markiert. Non-Sakkade und nicht blinken Tätigkeiten als Fixierungen. Eye-Tracking-Verfahren. Im Folgenden detailliert wir die Verfahren zur Einholung der Augenbewegung Aufnahmen für jeden Teilnehmer. <ol><li> Zustimmung. Vor Teilnehmer Setup werden die Teilnehmer der Eye-Tracker Stirnband dargestellt. Der Versuchsleiter erläutert den Teilnehmern, dass Kopf-und Augenbewegungen Positionen durch die Kameras, die auf dem Stirnband enthalten sind, überwacht werden. </li><li> Für eine gegebene experimentelle Paradigma werden die Teilnehmer in einem festen Abstand vom Monitor auf die gleiche Blickwinkel über die Teilnehmer zu halten sitzt. </li><li> Eye-Tracker-Kamera-Setup. Die Eye-Tracker Helm ist so eingestellt, dass der Helm eng und kaum zu bewegen, aber nicht unbequem um den Kopf ist. Der Helm ist noch so, dass der Kopf Kamera Infrarot-Beleuchtung auf die externe Marker auf dem Display Monitor zu senden angepasst. Jeder der Augen-Kameras sind auf einzelne Stangen, die aus dem Helm, der für die Einstellung in allen Achsen ermöglichen verlängern entfernt. Das Auge Kameras sind knapp positioniert und ein wenig weg von jedem Auge, ohne dass die Teilnehmer nach Ansicht der Anzeige-Monitor (siehe Abbildung 1). Die Kameras sind ausgerichtet auf eine klare und stabile Bild der Pupille und Hornhaut Reflexionen zu bekommen. Status-Panels auf dem Host-Computer an, ob Schüler und Hornhaut Reflexionen zu erworben werden. Die Beleuchtung Schwelle kann angepasst werden, um die stabile Aufzeichnung der Pupille und Hornhaut Reflexionen zu erhalten. Der Versuchsleiter wählt dann den entsprechenden experimentellen Paradigma, und bezeichnet einen Dateinamen für die anschließende eye movement Aufnahmen. <img src="/files/ftp_upload/2108/2108fig1.jpg" alt="Abbildung 1" /> Abbildung 1. Beispiel für ein Head-Mounted-video-basierten Eye-Tracker (links) und die Anzeige-und Host-PCs (rechts). Beachten Sie, dass dieDisplay-Monitor vor der Teilnehmer zeigt die Lage der Pupille (blauer Punkt mit Fadenkreuz) und Hornhaut-Reflexion (gelber Punkt mit Fadenkreuz) in Kamera-Setup zu unterstützen. </li><li> Kalibrierung. Um genaue Aufnahmen des Auges Position auf dem Display zu überwachen, ist eine Kalibrierung folgende Kamera-Setup gestartet. Während der Kalibrierung werden die Teilnehmer angewiesen, eine Reihe von Zielen, die an verschiedenen Standorten auf dem Display betrachten. Typischerweise werden neun Ziel-Standorten eingesetzt werden, sondern Kalibrierung kann mit nur drei Zielregionen durchgeführt werden. Von diesen neun aufgezeichneten Positionen können Augenposition an einer beliebigen Stelle auf dem Bildschirm interpoliert werden. </li><li> Validation. Nach der Kalibrierung ist eine Validierung verwendet werden, um die Genauigkeit der Augenbewegungen Aufnahme zu überprüfen. Die gleichen neun Zielgebiete sind die Teilnehmer zu fixieren vorgesehen, und der Unterschied ist zwischen der aktuellen Position und Fixierung der zuvor aufgenommenen Fixierung Position berechnet. Wenn die durchschnittliche Genauigkeit für die Erfassung der Position für eine (oder beide) Augen über ein annehmbares Niveau (durchschnittlich Fehler &lt;0,5 ° und maximalen Fehler von jedem Punkt &lt;1,0 °), sind Kalibrierung und Validierung Verfahren wiederholt. Nach Annahme des Genauigkeitsstufen, kann der Experimentator, ob eye movement Aufnahme sollte monokular oder binokular. Im Falle der monokularen Aufnahmen kann der Experimentator bestimmen, von welchem ​​Auge Daten aufgezeichnet werden soll, oder den Host-PC kann automatisch das Auge mit dem niedrigeren durchschnittlichen Fehler und der niedrigeren maximalen Fehler. Während Kalibrierung und Validierung mit leichten Kopfbewegung auftreten können, ist es vorteilhaft, haben die Teilnehmer so still wie möglich sitzen. Die Teilnehmer sind angewiesen, nicht auf die kommende Standorte der Ziele zu antizipieren, sondern um sich zu bewegen, und bewusst zu fixieren auf, die Ziele nur, wenn sie erscheinen und bleiben auf dem Ziel fixiert, bis sie verschwindet. </li><li> Experimentelle Paradigm. Hinweise insbesondere zu einem bestimmten Paradigma werden dem Teilnehmer (zB &quot;Bitte frei Sicht jede der folgenden Bilder.&quot;) Vorgestellt, und Datenaufzeichnung ist für die Sitzung initiiert. </li><li> Drift Korrektur. Vor Beginn eines jeden Versuches Reiz kann eine Driftkorrektur, indem die Teilnehmer Blick auf eine zentrale Fixationsziel beim Drücken einer Taste auf einem Joypad oder Tastatur, um die Fixierung Position zu akzeptieren durchgeführt werden. Wenn Driftkorrektur verwendet wird, wird eine Studie erst beginnen, wenn der Teilnehmer erfolgreich fixiert auf das zentrale Fixierung Region innerhalb 2,0 ° von der Mitte Ziel. Wenn der Teilnehmer durchweg fixiert größer als 2,0 °, muss der Teilnehmer erneut durchlaufen Kalibrierung und Validierung Verfahren. Jede Differenz weniger als 2,0 ° zwischen den aufgezeichneten Augenposition und die anfängliche Fixierung Position während der Kalibrierung / Validierung Aufnahmen gewonnen wird dann als Fehler bemerkt und machte in den Daten. </li><li> Stimulus-Präsentation. Eye Position, einschließlich Fixierung und Sakkade Veranstaltungen ist folgende Driftkorrektur Verfahren für jeden Stimulus Präsentation aufgezeichnet. Der Versuchsleiter überwachen können die Genauigkeit der Aufnahmen online via Inspektion des Host-Computers. </li><li> Nach der Augenbewegung Aufnahme-Session, können Maßnahmen, die die Augenbewegungen charakterisiert Scan-Muster für verschiedene Arten von Bildern (zB Roman, wiederholt) mit einer Vielzahl von Software-Paketen, wie SR Research Ltd s Data Viewer abgeleitet werden. Darüber hinaus können Anzeigen auf bestimmte Regionen eines Reizes (zB unverändert, manipuliert) durch die Analyse von Augenbewegungen in Bezug auf charakterisiert werden Experimentator gezogenen Regionen von Interesse, dass für jedes Bild entweder auf dem Paradigma der Programmierung Phase oder nach der Datenerfassung geschaffen. </li><li> Die Teilnehmer werden Debriefing über den Zweck des Experiments am Ende der Sitzung. </li></ol> Repräsentative Ergebnisse Mehrere Maßnahmen können von der Augenbewegung Aufnahmen, einschließlich Maßnahmen, die das bestmögliche Fernseherlebnis zu beschreiben, um das Bild (einschließlich der Merkmale der einzelnen Fixierung / Sakkade), und Maßnahmen, die das Muster der Betrachtung zu beschreiben, die einer bestimmten Region von Interesse wurde in Regie abgeleitet werden ein Bild 3. Maßnahmen der allgemeinen Betrachtung eines Bildes kann umfassen (sind aber nicht beschränkt auf): die Zahl der Fixierungen und die Anzahl der Sakkaden gemacht, um das Bild, die durchschnittliche Dauer der einzelnen Fixierung und der Gesamtbetrag der Sendezeit, die ausgegeben wurde Fixierung auf das Bild. Maßnahmen, die das Muster der Anzeige auf einen bestimmten Bereich von Interesse beschreiben kann umfassen (sind aber nicht beschränkt auf): die Zahl der Fixierungen aus der Region von Interesse, verbrachte die Zeit in einer Region von Interesse, und die Anzahl der Übergänge gemacht in / aus einer Region von Interesse. Ferner können Maßnahmen aus dem Auge Bewegung Aufnahmen, die das Timing skizzieren, mit denen (also ho abgeleitet werdenw früh) eine bestimmte Augenbewegungen Ereignis eingetreten ist, wie wenn nach Beginn des Stimulus, fixieren die Augen auf einen bestimmten Bereich von Interesse, als die ersten Sakkade auf ein Bild gemacht wird, und die Entropie (Einschränkung / Zufall) inhärente im Folge von Augen-Bewegungsmuster. Für jeden gegebenen Bild kann eye movement Maßnahmen detailliert, wo die Augen waren fixiert, wann und für wie lange. Um einen Index-Speicher, können wir den Zuschauern verschiedene Arten oder Mengen der Exposition gegenüber verschiedenen Arten von Bildern, und vergleichen Sie dann Sehgewohnheiten auf diese Datensätze und über die Teilnehmer. Zum Beispiel, um Speicher für die Wiederholung eines Bildes Sonde kann Scan-Muster zwischen Roman-Bilder und Bilder, die mehrfach haben während einer Test-Session angesehen gegenübergestellt werden. Anzeigen von Bildern wiederholt während einer Test-Session führt zu einer Abnahme in insgesamt Betrachtung des Bildes 2, 4-5, 8. Dies ist in Abbildung 2 zu sehen. In diesem repräsentativen Ergebnis von Riggs et al 11, Teilnehmer angesehen Roman Bilder von Gesichtern, wenn in jedem der fünf Prüfblöcke;. Mit zunehmender Exposition, gab es einen Rückgang in Höhe von Fixierungen, die Zuschauer zu machen, um die Gesichter. Um Sonde Speicher für bestimmte Details eines Bildes, kann Scan-Muster zwischen den Bildern, die immer wieder in ihrer ursprünglichen, unveränderten Form (wiederholt Bilder) und Bilder, die in ähnlicher Weise wurden wiederholt über eine Testsitzung angesehen haben, interessierten gegenübergestellt werden, sondern eine Änderung wurde eingeführt, um ein Element innerhalb einer Szene während der letzten Exposition (manipulierte Bilder). In solchen Fällen sind Scan-Muster unterschiedlich auf die Region, die innerhalb eines manipulierten Bildes wurde im Vergleich zum gleichen, unveränderten Region wiederholt Bilder 2-3, 7-8 verändert angezogen. Allerdings, wie Augenbewegungen Indizes der Speicher nicht in bestimmten Bevölkerungsgruppen, z. B. wenn gesunden älteren Erwachsenen und bei Patienten mit Amnesie aufgrund medialen Temporallappen Schäden sind bekannt für ihre Erinnerung an die räumlichen Beziehungen zwischen Objekten in Szenen beurteilt präsentieren, wie in Abbildung 3 dargestellt 2, 8. Daher können Erkenntnisse aus der Augenbewegung Überwachung, um den Kontrast Speicher zwischen Gruppen von Teilnehmern mit unterschiedlichen neuropsychologischen Status 2-3, 8-10 verwendet. <img src="/files/ftp_upload/2108/2108fig2.jpg" alt="Abbildung 2" /> Abbildung 2. Die Augenbewegungen zeigen Speicher für Wiederholung In diesem repräsentativen Ergebnis aus unserem Labor [11], die Teilnehmer angesehen Gesichter auf 5 Lerneinheiten;. Wie die Zahl der Vorführungen erhöht (von 1-5), sank die Zahl der Fixierungen auf die Gesichter. <img src="/files/ftp_upload/2108/2108fig3.jpg" alt="Abbildung 3" /> Abbildung 3. Die Augenbewegungen zeigen Speicher für geänderte Details. Jüngere Erwachsene [2 (Versuche 1, 2), 8 (Freie Viewing Condition)] Regie einen größeren Anteil ihrer gesamten Auge Fixierungen zu einer kritischen Region in ein manipuliertes Bild, das einen Wechsel von einem erfahren hat VORBESICHTIGUNG Vergleich dazu, wenn die Region nicht ändern, wie in Roman und wiederholten Bilder unterzogen. Solche Effekte der Speicher wurde bei gesunden älteren Erwachsenen [8 (Freie Viewing Zustand], und in Amnesie-Patienten [2] fehlen.

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Augenbewegung Überwachung ist eine effiziente, nützliches Tool, mit dem Memory-Funktion in einer Vielzahl von Populationen zu beurteilen. Dieses Protokoll beschreibt die Verwendung eines Head-Mounted-video-basierten Eye-Tracker, aber das Protokoll kann leicht an die Verwendung von Remote-Eye-Tracking-Geräte angepasst werden, wie Remote-Eye-Tracker entfernen die Notwendigkeit Helm Anpassung und Vereinfachung der Kameraeinstellungen. Allerdings mit einem Remote-Eye-Tracker, muss Kopfbewegung eingeschränkt, um die Genauigkeit des Auges Aufnahmen zu erhalten. Präzise Kalibrierung der Augenbewegungen ist von größter Bedeutung für den Erhalt von nützlichen und interpretierbar, Daten. Indizes von Speicher durch Augenbewegung Überwachung erhalten überflüssig machen für den Erwerb expliziten (dh, verbal) Berichte über die Erinnerung, die von Vorteil sein, für eine schnelle Untersuchung des Gedächtnisses in Populationen mit eingeschränkter Kommunikationsfähigkeit kann. Eye-Tracking kann auch im Konzert mit ausdrücklicher Berichte verwendet werden, um festzustellen, ob es Informationen, die im Speicher gehalten wird, aber nicht für bewusste Introspektion zur Verfügung. Darüber hinaus können Augenbewegungen Muster untersucht werden um festzustellen, wann der Einfluss der Speicher induziert eine Änderung in diesen Mustern. Alle zusammen, wenn die explizite Berichte verglichen, bieten Maßnahmen von Augenbewegungen Monitoring abgeleitet umfassender Detail darüber, was im Speicher gehalten, und wenn es 2-3 abgerufen. Vergleicht Auge Bewegungsmuster über Bevölkerungsgruppen bietet Einblick in die Integrität der Memory-Funktion kann mit dem Alter und / oder verändert neuropsychologischen Status zu ändern. Interrogating eye movement Indizes des Gedächtnisses bei Patienten mit Läsionen in bestimmten Bereichen des Gehirns offenbaren kann die neuronale Regionen, die für die Bildung und Aufrechterhaltung bestimmter Arten von Informationen 2-3, 9-10 sind. Mit weiteren Forschung, die die Zuverlässigkeit der Erlangung Indizes der Speicher für die einzelnen Teilnehmer mit minimalem Studien außerhalb der Laborumgebung untersucht, kann Eye Tracking eine nützliche Methode geworden zu überwachen und zu validieren Speicher in der Ausbildung Umgebungen, klinischen und / oder Strafverfolgung Situationen, wie wie in Augenzeuge Identifikationsverfahren 12.

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Douglas A. McQuiggan
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Doug McQuiggan

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Erratum: Eye Movement Monitoring of Memory

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		<tr>
		<th>Material Name</th>
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		<th>Company</th>
		<th>Catalogue Number</th>
		<th>Comment</th>
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		<tbody>
		
<tr>
<td>Eye Tracker</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>SR Research Ltd.</td>
<td>Eyelink II</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>Experimental Control Software</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>SR Research Ltd.</td>
<td>Experiment Builder</td>
<td>&nbsp;</td>
<tr>
<td>Eye Movement Analysis Program</td>
<td>&nbsp;</td>
<td>SR Research Ltd.</td>
<td>Data Viewer</td>
<td>&nbsp;</td>		</tbody>
		</table>
		</div>

eye movement monitoring of memory

Explizite (oft verbal) Berichte in der Regel eingesetzt werden, um Speicher (z. B. &quot;Sag mir, was du über die Person, die Sie bei der Bank gestern gesehen. Remember&quot;) zu untersuchen, können jedoch solche Berichte oft unzuverlässig, oder empfindlich auf Antwort bias<sup&gt; 1</sup&gt; Kann und unerreichbar in einigen Teilnehmer Populationen. Darüber hinaus explizite Berichte nur offenbaren, wenn Informationen Bewusstsein erreicht hat und sich nicht auf, wenn Erinnerungen wurden bei der Verarbeitung abgerufen Kommentars, unabhängig davon, ob die Informationen anschließend in einer bewussten Weise abgerufen. Augenbewegung Überwachung (Eye Tracking) bietet ein Tool, mit dem Gedächtnis, ohne zu fragen die Teilnehmer auf die Inhalte ihrer Erinnerungen Kommentar untersucht werden können, und den Zugriff auf solche Erinnerungen können offenbart on-line sein<sup&gt; 2,3</sup&gt;. Video-basierte Eye-Tracker (entweder Head-Mounted-oder Remote) verwenden ein System von Kameras und Infrarot-Markern auf der Pupille und Hornhaut Reflexion in jedem Auge zu untersuchen, wie die Teilnehmer Ansichten einer Anzeige zu überwachen. Für Head-Mounted-Eye-Tracker, sind Infrarot-Markern auch zum Kopf Position zu bestimmen, um für die Kopfbewegung und genauere Lokalisierung von Augenposition ermöglichen. Hier zeigen wir die Verwendung eines Head-Mounted-Eye-Tracking-System auf Speicher-Performance in neurologisch intakt und neurologisch beeinträchtigten Erwachsenen zu untersuchen. Augenbewegung Monitoring-Verfahren beginnt mit der Platzierung der Eye-Tracker auf dem Teilnehmer und Aufbau der Kopf-und Augenbewegungen Kameras. Kalibrierung und Validierung Verfahren durchgeführt werden, um die Genauigkeit der Augenposition Aufnahme zu gewährleisten. Real-time-Aufnahmen von X, Y-Koordinaten des auf dem Display Monitor werden dann konvertiert und zur Zeit in der das Auge ist statisch (dh Fixierungen) versus in Motion (dh Sakkaden) zu beschreiben. Fixationen und Sakkaden sind zeit-locked in Bezug auf die Onset / Offset von einer optischen Anzeige oder ein anderes externes Ereignis (zB Taste drücken). Experimentelle Manipulationen sind so konstruiert, zu prüfen, wie und wann Muster von Fixationen und Sakkaden verändert durch verschiedene Arten von früheren Erfahrungen. Der Einfluss der Speicher ist in welchem ​​Umfang Scan-Muster, um neue Bilder unterscheiden sich von Scan-Muster, um Bilder, die zuvor studiert haben ergeben<sup&gt; 2, 4-5</sup&gt;. Der Speicher kann auch für seine Spezifität abgefragt werden, zum Beispiel, zeigen Auge Bewegungsmuster, die zwischen einem identisch und eine veränderte Version eines zuvor untersuchten Bild unterscheiden sich die Speicherung der veränderten Detail in Erinnerung<sup&gt; 2-3, 6-8</sup&gt;. Diese Indizes der Speicher kann über Teilnehmer Bevölkerung, wodurch ein leistungsfähiges Werkzeug, mit dem die Organisation des Gedächtnisses bei gesunden Menschen zu untersuchen, und die spezifischen Veränderungen, die in den Speicher kommt mit neurologischen beleidigen oder Rückgang im Vergleich zu<sup&gt; 2-3, 8-10</sup&gt;.

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Eye Movement Monitoring of Memory

Augenbewegung Überwachung (oder Eye-Tracking) zeigt, wo im Raum die Augen aufhalten, wann und für wie lange. Hier zeigen wir, wie Eye-Tracking verwendet werden, um die Integrität des Speichers in mehrere Teilnehmer Populationen zu untersuchen, ohne dass es verbal oder auf andere Weise ausdrücklich, berichtet.

Eye Movement Überwachung von Speicher

Explicit (often verbal) reports are typically used to investigate memory (e.g. "Tell me what you remember about the person you saw at the bank ...

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Neuroscience

14.5K Aufrufe.  Rotman Research Institute. Augenbewegung Überwachung (oder Eye-Tracking) zeigt, wo im Raum die Augen aufhalten, wann und für wie lange. Hier zeigen wir, wie Eye-Tracking verwendet werden, um die Integrität des Speichers in mehrere Teilnehmer Populationen zu untersuchen, ohne dass es verbal oder auf andere Weise ausdrücklich, berichtet.

Serie: Eye Movement Monitoring of Memory

Experimental Models for Study of Retinal Pigment Epithelial Physiology and Pathophysiology

We have developed a cell culture procedure that can produce large quantities of confluent monolayers of primary human fetal retinal pigment epithelium (hfRPE) cultures with morphological, physiological and genetic characteristics of native human RPE. These hfRPE cell cultures exhibit heavy pigmentation, and electron microscopy show extensive apical membrane microvilli. The junctional complexes were identified with immunofluorescence labeling of various tight junction proteins. Epithelial polarity and function of these easily reproducible primary cultures closely resemble previously studied mammalian models of native RPE, including human. These results were extended by the development of therapeutic interventions in several animal models of human eye disease. We have focused on strategies for the removal of abnormal fluid accumulation in the retina or subretinal space. The extracellular subretinal space separates the photoreceptor outer segments and the apical membrane of the RPE and is critical for maintenance of retinal attachments and a whole host of RPE/retina interactions.

We provide a reproducible method for culturing confluent monolayers of human fetal retinal pigment epithelial cells (hfRPE) cells that exhibit morphology, physiology, polarity, and protein and gene expression patterns of adult native tissue. This work has been extended to an animal model of several eye diseases.

Experimentelle Modelle für das Studium der retinalen Pigmentepithelzellen Physiologie und Pathophysiologie

We have developed a cell culture procedure that can produce large quantities of confluent monolayers of primary human fetal retinal pigment epithelium ...

Forschung

Neurowissenschaften

Physiological, Morphological and Neurochemical Characterization of Neurons Modulated by Movement

The role of individual neurons and their function in neuronal circuits is fundamental to understanding the neuronal mechanisms of sensory and motor functions. Most investigations of sensorimotor mechanisms rely on either examination of neurons while an animal is static1,2 or record extracellular neuronal activity during a movement.3,4 While these studies have provided the fundamental background for sensorimotor function, they either do not evaluate functional information which occurs during a movement or are limited in their ability to fully characterize the anatomy, physiology and neurochemical phenotype of the neuron. A technique is shown here which allows extensive characterization of individual neurons during an in vivo movement. This technique can be used not only to study primary afferent neurons but also to characterize motoneurons and sensorimotor interneurons. Initially the response of a single neuron is recorded using electrophysiological methods during various movements of the mandible followed by determination of the receptive field for the neuron. A neuronal tracer is then intracellularly injected into the neuron and the brain is processed so that the neuron can be visualized with light, electron or confocal microscopy (Fig. 1). The detailed morphology of the characterized neuron is then reconstructed so that neuronal morphology can be correlated with the physiological response of the neuron (Figs. 2,3). In this communication important key details and tips for successful implementation of this technique are provided. Valuable additional information can be determined for the neuron under study by combining this method with other techniques. Retrograde neuronal labeling can be used to determine neurons with which the labeled neuron synapses; thus allowing detailed determination of neuronal circuitry. Immunocytochemistry can be combined with this method to examine neurotransmitters within the labeled neuron and to determine the chemical phenotypes of neurons with which the labeled neuron synapses. The labeled neuron can also be processed for electron microscopy to determine the ultrastructural features and microcircuitry of the labeled neuron. Overall this technique is a powerful method to thoroughly characterize neurons during in vivo movement thus allowing substantial insight into the role of the neuron in sensorimotor function.

A technique is described to quantify the in vivo physiological response of mammalian neurons during movement and correlate the physiology of the neuron with neuronal morphology, neurochemical phenotype and synaptic microcircuitry.

Physiologische, morphologische und neurochemische Charakterisierung von Neuronen Modulated durch Bewegung

The role of individual neurons and their function in neuronal circuits is fundamental to understanding the neuronal mechanisms of sensory and motor ...

Coherence between Brain Cortical Function and Neurocognitive Performance during Changed Gravity Conditions

Previous studies of cognitive, mental and/or motor processes during short-, medium- and long-term weightlessness have only been descriptive in nature, and focused on psychological aspects. Until now, objective observation of neurophysiological parameters has not been carried out - undoubtedly because the technical and methodological means have not been available -, investigations into the neurophysiological effects of weightlessness are in their infancy (Schneider et al. 2008).
While imaging techniques such as positron emission tomography (PET) and magnetic resonance imaging (MRI) would be hardly applicable in space, the non-invasive near-infrared spectroscopy (NIRS) technique represents a method of mapping hemodynamic processes in the brain in real time that is both relatively inexpensive and that can be employed even under extreme conditions. The combination with electroencephalography (EEG) opens up the possibility of following the electrocortical processes under changing gravity conditions with a finer temporal resolution as well as with deeper localization, for instance with electrotomography (LORETA).
Previous studies showed an increase of beta frequency activity under normal gravity conditions and a decrease under weightlessness conditions during a parabolic flight (Schneider et al. 2008a+b). Tilt studies revealed different changes in brain function, which let suggest, that changes in parabolic flight might reflect emotional processes rather than hemodynamic changes. However, it is still unclear whether these are effects of changed gravity or hemodynamic changes within the brain. Combining EEG/LORETA and NIRS should for the first time make it possible to map the effect of weightlessness and reduced gravity on both hemodynamic and electrophysiological processes in the brain. Initially, this is to be done as part of a feasibility study during a parabolic flight. Afterwards, it is also planned to use both techniques during medium- and long-term space flight.
It can be assumed that the long-term redistribution of the blood volume and the associated increase in the supply of oxygen to the brain will lead to changes in the central nervous system that are also responsible for anaemic processes, and which can in turn reduce performance (De Santo et al. 2005), which means that they could be crucial for the success and safety of a mission (Genik et al. 2005, Ellis 2000).
Depending on these results, it will be necessary to develop and employ extensive countermeasures. Initial results for the MARS500 study suggest that, in addition to their significance in the context of the cardiovascular and locomotor systems, sport and physical activity can play a part in improving neurocognitive parameters. Before this can be fully established, however, it seems necessary to learn more about the influence of changing gravity conditions on neurophysiological processes and associated neurocognitive impairment.

The effect of weightlessness and hypergravity on both hemodynamic and electrophysiological processes in the brain is going to be followed during parabolic flight by EEG and NIRS techniques. 
A feasibility study of a more complex experiment, which is planned to carry out during medium- and long-term space flight.

Die Kohärenz zwischen Gehirn Kortikale Funktion und neurokognitiven Leistungsfähigkeit während Changed Schwerelosigkeit

Previous studies of cognitive, mental and/or motor processes during short-, medium- and long-term weightlessness have only been descriptive in nature, and ...

Preparation of Living Isolated Vertebrate Photoreceptor Cells for Fluorescence Imaging

In the vertebrate retina, phototransduction, the conversion of light to an electrical signal, is carried out by the rod and cone photoreceptor cells1-4. Rod photoreceptors are responsible for vision in dim light, cones in bright light. Phototransduction takes place in the outer segment of the photoreceptor cell, a specialized compartment that contains a high concentration of visual pigment, the primary light detector. The visual pigment is composed of a chromophore, 11-cis retinal, attached to a protein, opsin. A photon absorbed by the visual pigment isomerizes the chromophore from 11-cis to all-trans. This photoisomerization brings about a conformational change in the visual pigment that 
initiates a cascade of reactions culminating in a change in membrane potential, and bringing about the transduction of the light stimulus to an electrical signal. The 
recovery of the cell from light stimulation involves the deactivation of the intermediates activated by light, and the reestablishment of the membrane potential. Ca2+ modulates the activity of several of the enzymes involved in phototransduction, and its concentration is reduced upon light stimulation. In this way, Ca2+ plays an important role in the recovery of the cell from light stimulation and its adaptation to background light.
Another essential part of the recovery process is the regeneration of the visual pigment that has been destroyed during light-detection by the 
photoisomerization of its 11-cis chromophore to all-trans5-7. This regeneration begins with the release of all-trans retinal by 
the photoactivated pigment, leaving behind the apo-protein opsin. The released all-trans retinal is rapidly reduced in a reaction utilizing NADPH to all-
trans retinol, and opsin combines with fresh 11-cis retinal brought into the outer segment to reform the visual pigment. All-trans retinol is 
then transferred out of the outer segment and into neighboring cells by the specialized carrier Interphotoreceptor Retinoid Binding Protein (IRBP).
Fluorescence imaging of single photoreceptor cells can be used to study their physiology and cell biology. Ca2+-sensitive fluorescent dyes can be used to examine in detail the interplay between outer 
segment Ca2+ changes and response to light8-12 as well as the role of inner segment Ca2+ stores in Ca2+ homeostasis13,14. 
Fluorescent dyes can also be used for measuring Mg2+ concentration15, pH, and as tracers of aqueous and membrane compartments16. 
Finally, the intrinsic fluorescence of all-trans retinol (vitamin A) can be used to monitor the kinetics of its formation and removal in single 
photoreceptor cells17-19.

A method is described for the preparation of single living photoreceptor cells from different vertebrate species for fluorescence imaging. The method can be used to image the fluorescence of endogenous fluorophores, such as NADH or vitamin A, or that of exogenously added fluorescent dyes sensitive to Ca2+ or other factors.

Vorbereitung der Lebens-Isolated Vertebrate Sehzellen für Fluoreszenz-Imaging

In the vertebrate retina, phototransduction, the conversion of light to an electrical signal, is carried out by the rod and cone photoreceptor cells1-4.  ...

Using Affordable LED Arrays for Photo-Stimulation of Neurons

Standard slice electrophysiology has allowed researchers to probe individual components of neural circuitry by recording electrical responses of single cells in response to electrical or pharmacological manipulations1,2. With the invention of methods to optically control genetically targeted neurons (optogenetics), researchers now have an unprecedented level of control over specific groups of neurons in the standard slice preparation. In particular, photosensitive channelrhodopsin-2 (ChR2) allows researchers to activate neurons with light3,4. By combining careful calibration of LED-based photostimulation of ChR2 with standard slice electrophysiology, we are able to probe with greater detail the role of adult-born interneurons in the olfactory bulb, the first central relay of the olfactory system. Using viral expression of ChR2-YFP specifically in adult-born neurons, we can selectively control young adult-born neurons in a milieu of older and mature neurons. Our optical control uses a simple and inexpensive LED system, and we show how this system can be calibrated to understand how much light is needed to evoke spiking activity in single neurons. Hence, brief flashes of blue light can remotely control the firing pattern of ChR2-transduced newborn cells.

Adult-born neurons expressing ChR2 can be manipulated in slice electrophysiological preparations in order to examine their contribution towards the function of olfactory neural circuits.

Mit Affordable LED Arrays für Photo-Stimulation von Neuronen

Standard slice electrophysiology has allowed researchers to probe individual components of neural circuitry by recording electrical responses of single ...

Selective Viral Transduction of Adult-born Olfactory Neurons for Chronic in vivo Optogenetic Stimulation

Local interneurons are continuously regenerated in the olfactory bulb of adult rodents1-3. In this process, called adult neurogenesis, neural stem cells in the walls of the lateral ventricle give rise to neuroblasts that migrate for several millimeters along the rostral migratory stream (RMS) to reach and incorporate into the olfactory bulb. To study the different steps and the impact of adult-born neuron integration into preexisting olfactory circuits, it is necessary to selectively label and manipulate the activity of this specific population of neurons. The recent development of optogenetic technologies offers the opportunity to use light to precisely activate this specific cohort of neurons without affecting surrounding neurons4,5. Here, we present a series of procedures to virally express Channelrhodopsin2(ChR2)-YFP in a temporally restricted cohort of neuroblasts in the RMS before they reach the olfactory bulb and become adult-born neurons. In addition, we show how to implant and calibrate a miniature LED for chronic in vivo stimulation of ChR2-expressing neurons.

Selective Viral Transduction of Adult-born Olfactory Neurons for Chronic in vivo Optogenetic Stimulation

Adult-born neurons of the olfactory bulb can be optogenetically controlled using Channelrhodopsin2-expressing lentiviral injection in the rostral migratory stream and chronic photostimulation with an implanted miniature LED.

Selektive Viral Transduktion von Adult-geboren olfaktorischen Neuronen für chronische In vivo Optogenetische Stimulation

Local interneurons are continuously regenerated in the olfactory bulb of adult rodents1-3. In this process, called adult neurogenesis, neural stem cells ...

Rapid Determination of the Thermal Nociceptive Threshold in Diabetic Rats

Painful diabetic neuropathy (PDN) is characterized by hyperalgesia i.e., increased sensitivity to noxious stimulus, and allodynia i.e., hypersensitivity to normally innocuous stimuli1. Hyperalgesia and allodynia have been studied in many different rodent models of diabetes mellitus2. However, as stated by B&ouml;lcskei et al, determination of "pain" in animal models is challenging due to its subjective nature3. Moreover, the traditional methods used to determine behavioral responses to noxious thermal stimuli usually lack reproducibility and pharmacological sensitivity3. For instance, by using the hot-plate method of Ankier4, flinch, withdrawal and/or licking of either hind- and/or fore-paws is quantified as reflex latencies at constant high thermal stimuli (52-55 &deg;C). However, animals that are hyperalgesic to thermal stimulus do not reproducibly show differences in reflex latencies using those supra-threshold temperatures3,5. As the recently described method of B&ouml;lcskei et al.6, the procedures described here allows for the rapid, sensitive and reproducible determination of thermal nociceptive thresholds (TNTs) in mice and rats. The method uses slowly increasing thermal stimulus applied mostly to the skin of mouse/rat plantar surface. The method is particularly sensitive to study anti-nociception during hyperalgesic states such as PDN. The procedures described bellow are based on the ones published in detail by Alm&aacute;si et al 5 and B&ouml;lcskei et al 3. The procedures described here have been approved the Laboratory Animal Care and Use Committee (LACUC), Wright State University.

Here, we describe a rapid reliable and simple procedure to determine the lowest temperature at which rats or mice show nocifensive behavior, i.e. the thermal nociceptive threshold (TNT). This method applies a slowly increasing thermal stimulus allowing precise and reproducible estimation of TNTs with minimum, if any, stress to the animals.

Schnelle Bestimmung der Wärmeleistung und nozizeptiven Grenzwerts bei diabetischen Ratten

Painful diabetic neuropathy (PDN) is characterized by hyperalgesia i.e., increased sensitivity to noxious stimulus, and allodynia i.e., hypersensitivity ...

Optical Recording of Suprathreshold Neural Activity with Single-cell and Single-spike Resolution

Signaling of information in the vertebrate central nervous system is often carried by populations of neurons rather than individual neurons. Also propagation of suprathreshold spiking activity involves populations of neurons. Empirical studies addressing cortical function directly thus require recordings from populations of neurons with high resolution. Here we describe an optical method and a deconvolution algorithm to record neural activity from up to 100 neurons with single-cell and single-spike resolution. This method relies on detection of the transient increases in intracellular somatic calcium concentration associated with suprathreshold electrical spikes (action potentials) in cortical neurons. High temporal resolution of the optical recordings is achieved by a fast random-access scanning technique using acousto-optical deflectors (AODs)1. Two-photon excitation of the calcium-sensitive dye results in high spatial resolution in opaque brain tissue2. Reconstruction of spikes from the fluorescence calcium recordings is achieved by a maximum-likelihood method. Simultaneous electrophysiological and optical recordings indicate that our method reliably detects spikes (&gt;97% spike detection efficiency), has a low rate of false positive spike detection (&lt; 0.003 spikes/sec), and a high temporal precision (about 3 msec) 3. This optical method of spike detection can be used to record neural activity in vitro and in anesthetized animals in vivo3,4.

Understanding the function of the vertebrate central nervous system requires recordings from many neurons because cortical function arises on the level of populations of neurons. Here we describe an optical method to record suprathreshold neural activity with single-cell and single-spike resolution, dithered random-access scanning. This method records somatic fluorescence calcium signals from up to 100 neurons with high temporal resolution. A maximum-likelihood algorithm deconvolves the underlying suprathreshold neural activity from the somatic fluorescence calcium signals. This method reliably detects spikes with high detection efficiency and a low rate of false positives and can be used to study neural populations in vitro and in vivo.

Optische Aufnahme überschwellige neuronale Aktivität mit Single-Cell-und Single-Spike Auflösung

Signaling of information in the vertebrate central nervous system is often carried by populations of neurons rather than individual neurons. Also ...

Tactile Conditioning And Movement Analysis Of Antennal Sampling Strategies In Honey Bees (Apis mellifera L.)

Honey bees (Apis mellifera L.) are eusocial insects and well known for their complex division of labor and associative learning capability1, 2. The worker bees spend the first half of their life inside the dark hive, where they are nursing the larvae or building the regular hexagonal combs for food (e.g. pollen or nectar) and brood3. The antennae are extraordinary multisensory feelers and play a pivotal role in various tactile mediated tasks4, including hive building5 and pattern recognition6. Later in life, each single bee leaves the hive to forage for food. Then a bee has to learn to discriminate profitable food sources, memorize their location, and communicate it to its nest mates7. Bees use different floral signals like colors or odors7, 8, but also tactile cues from the petal surface9 to form multisensory memories of the food source. Under laboratory conditions, bees can be trained in an appetitive learning paradigm to discriminate tactile object features, such as edges or grooves with their antennae10, 11, 12, 13. This learning paradigm is closely related to the classical olfactory conditioning of the proboscis extension response (PER) in harnessed bees14. The advantage of the tactile learning paradigm in the laboratory is the possibility of combining behavioral experiments on learning with various physiological measurements, including the analysis of the antennal movement pattern.

Tactile Conditioning And Movement Analysis Of Antennal Sampling Strategies In Honey Bees Apis mellifera L.

In this protocol we show how to condition harnessed honey bees to tactile stimuli and introduce a 2D motion capture technique for analyzing the kinematics of fine-scale antennal sampling pattern.

Tactile Conditioning und Bewegungsanalyse der antennalen Sampling Strategies In Honey Bees (<em&gt; Apis mellifera</em&gt; L.)

Honey bees (Apis mellifera L.) are eusocial insects and well known for their complex division of labor and associative learning capability1, 2. The worker ...

Observation of the Ciliary Movement of Choroid Plexus Epithelial Cells Ex Vivo

The choroid plexus is located in the ventricular wall of the brain, the main function of which is believed to be production of cerebrospinal fluid. Choroid plexus epithelial cells (CPECs) covering the surface of choroid plexus tissue harbor multiple unique cilia, but most of the functions of these cilia remain to be investigated. To uncover the function of CPEC cilia with particular reference to their motility, an ex vivo observation system was developed to monitor ciliary motility during embryonic, perinatal and postnatal periods. The choroid plexus was dissected out of the brain ventricle and observed under a video-enhanced contrast microscope equipped with differential interference contrast optics. Under this condition, a simple and quantitative method was developed to analyze the motile profiles of CPEC cilia for several hours ex vivo. Next, the morphological changes of cilia during development were observed by scanning electron microscopy to elucidate the relationship between the morphological maturity of cilia and motility. Interestingly, this method could delineate changes in the number and length of cilia, which peaked at postnatal day (P) 2, while the beating frequency reached a maximum at P10, followed by abrupt cessation at P14. These techniques will enable elucidation of the functions of cilia in various tissues. While related techniques have been published in a previous report1, the current study focuses on detailed techniques to observe the motility and morphology of CPEC cilia ex vivo.

Observation of the Ciliary Movement of Choroid Plexus Epithelial Cells Ex Vivo

In this study, a detailed light microscopic technique was optimized for real-time observation and analysis of the motion of CPEC cilia ex vivo together with an electron microscopic method for ultrastructural analysis.

Beobachtung der Flimmerbewegung von Plexus Epithelzellen<em&gt; Ex Vivo</em

The choroid plexus is located in the ventricular wall of the brain, the main function of which is believed to be production of cerebrospinal fluid. ...