Cortical network dynamics during visually-guided motor behavior : Setup development and Preliminary analyses

de Haan, Marcel Jan; Kampa, Björn Michael; Riehle, Alexa; Grün, Sonja Annemarie

doi:37049

Cortical network dynamics during visually-guided motor behavior : Setup development and Preliminary analyses

de Haan, Marcel Jan^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marcel Jan de Haan, M.Sc. in Neurosciences

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (150 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Grün, Sonja Annemarie (Thesis advisor)^RWTH* ; Kampa, Björn Michael (Thesis advisor)^RWTH* ; Riehle, Alexa (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-01-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-221368
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/717863/files/717863.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
cortical network dynamics (frei) ; eye-hand coordination (frei) ; massively parallel electrophysiology (frei) ; vision-for-action (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Primaten besitzen unter natürlichen Bedingungen eine bemerkenswerte Koordination von Körperbewegungen als Reaktion auf hoch komplexe sensorische Informationen aus der externen Umgebung. Der Zustand unseres eigenen Körpers und der der Objekte mit denen wir interagieren variiert mit der Zeit, jedoch erlaubt uns eine gleichzeitige Anpassung unserer Bewegungen ein gleichmäßiges, effizientes und Zielgerichtetes Verhalten. Eine Schlüsselkomponente dieses Verhaltens ist die Auge-Hand-Koordination. Die Erforschung der neuronalen Grundlagen und Prinzipien eines solchen Koordinationsverhalten involviert die Untersuchung von multiplen Arealen des Gehirns zuständig für Aufmerksamkeit, visuelle Verarbeitung, visuomotor Integration, Bewegungsplanung und -kontrolle. Diese Notwendigkeit führte zur Entstehung eines speziellen neurowissenschaftlichen Bereichs, welcher sich zur Aufgabe gesetzt hat in Isolation die Anteile jedes respektiven Areals zu visuell-kontrollierten Bewegungsabläufen zu untersuchen. Allerdings reduziert diese Vorgehensweise, die die individuellen Systeme ohne deren synergetischen Zusammenhang betrachtet, unseren Einblick, weil isoliertes Verhalten von „unabhängigen“ Gehirnregionen eher selten ist. Das Hauptziel dieser Doktorarbeit ist multi-areale Koordination durch Ziel gerichtetes Verhalten aufzuklären und neue Einblicke in die dynamischen Prozesse von kontinuierlichen Vorhersagen und Transformationen zwischen sensorischen und motorischen Arealen zu schaffen. Die Frage wie sich visuelle und motorische Areale miteinander koordinieren, benötigt einen experimentellen Aufbau mit einer aufwendigen Verhaltenskontrolle, Aufnahmekapazitäten mit multiplen Effektoren, und dichten elektrophysiologischen Aufnahmen in verschiedenen relevanten Gehirnstrukturen. In meiner Arbeit beginne ich zunächst damit die Aspekte von visuell-gesteuertem Motorverhalten darzustellen und klassische und moderne Ideen zu präsentieren, die erklären wie visuelle Stimuli von der Retina parallel über eine Vielfalt von Gehirnarealen geleitet werden und dabei mehrere Bezugsrahmen durchwandern um später die Motorik der Handbewegung zu kontrollieren. Ich führe nacheinander im Detail auf wie man einen Echtzeit integrierten visuomotorischen Verhaltens und elektrophysiologischen Aufnahmeaufbau (Real-time Integrated Visuomotor behavior & Electrophysiology Recording; RIVER) entwickelt und dessen Einstellungen testet. Dieser Aufbau musste dabei die folgenden Bedingungen erfüllen: 1) Beide Augen und Hand Positionen musste im gleichen Koordinatensystem darzustellen sein; 2) Der Aufbau musste innerhalb der Aufgabenumgebung in Echtzeit Kontrolle über Augen und Handbewegungen behalten; 3) Bewegungen müssen unter jeglichen experimentellen Bedingung kontinuierlich verfolgt und aufgezeichnet werden können; 4) der Aufbau muss so optimiert sein, dass elektorphysiologische Aufzeichnungen bei menschlichen Teilnehmern und Affen möglich sind; und 5) der Aufbau muss die Möglichkeit besitzen Daten des Verhaltens und allen experimentellen Events mit allen elektrophysiologischen Signalen synchron aufzuzeichnen. Ich präsentiere zudem vorläufige Verhaltensdaten eines Affen, der in einer sequenziellen Zeige Aufgabe im RIVER Aufbau trainiert wurde, und diskutiere kurz die chirurgischen Prozeduren und das Resultat der Implantation des Multi-Elektroden-Arrays (MEA). Zum Schluss präsentiere ich die Ergebnisse der Noise-Korrelationsanalyse der massiv-parallelen elektrophysiologischen Daten eines parallel durchgeführten Greif-Experiments (reach-to-grasp project).

In natural conditions, primates possess a remarkable coordination of body movements in response to highly complex sensory information from the external world. The properties of our own body and those of the objects we interact with vary over time, yet continuous online adjustments allow for movements to be combined into a smooth and efficient goal-directed behavior. A key contribution to this behavior comes from eye-hand coordination. Studying the neural underpinnings of such coordinated behaviors involves attention, visual processing, visuomotor integration, motor planning and motor control in multiple areas across the brain. This distribution has led to specialized fields in neuroscience that aim to elucidate the contribution of each respective field to visually-guided motor behavior in isolation. However, studying individual systems without taking into account their synergistic relationships diminishes our insight, as isolated behaviors in arguably independent regions of the brain are limited. The main goal of this thesis is to elucidate multi-area coordination during goal-directed behavior and provide new insights into the dynamic processes of continuous predictions and transformations from sensory to motor areas (and back). The questions on how the visual input areas and motor output areas coordinate require an experimental setup with extensive behavioral control, recording capacity of multiple effectors, and dense electrophysiological recordings in multiple relevant brain structures. In my thesis I begin by outlining aspects of visually-guided motor behavior and present classic and current ideas on how the visual input on the retina travels in parallel through a multitude of brain areas, experiencing several stages of reference frame transformation, in order to control motor output of the hand. I subsequently detail the development and testing parameters of the Real-time Integrated Visuomotor behavior & Electrophysiology Recording (RIVER) setup. This setup had to fulfill the following requirements: 1) both eye and hand positions must be expressed in the same coordinate space; 2) the setup must have real-time control over eye and hand movements within the task environment, 3) movements must be continuously tracked and recorded under any experimental condition, 4) the setup must be optimized to allow for electrophysiological recordings in human/monkey participants, and 5) the setup must have the ability to output synchronized data of behavioral and experimental events with all electrophysiological recordings. I present preliminary behavioral data from a monkey trained to perform a sequential point task in the RIVER setup, and briefly discuss the surgical procedures and outcome of multi-electrode array (MEA) implantation. Finally, I present our findings from noise correlation analysis on massively parallel electrophysiology data from a parallel reach-to-grasp project.

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