Visual perception of artificial and nature-inspired stimuli in an open-source python-based touchscreen chamber for operant conditioning

• Visuelle Wahrnehmung von künstlichen und naturinspirierten Reizen in einer Open-Source Python-basierten Touchscreen-Kammer für operante Konditionierung

Wiesbrock, Christopher; Kampa, Björn M. (Thesis advisor); Zimmer-Bensch, Geraldine Marion (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Das visuelle System der Maus ist ein langjähriger Bestandteil neurowissenschaftlicher Forschung. Eine anhaltende Diskussion wird darüber geführt, wie man das visuelle System sinnvoll stimuliert. Hierbei konkurrieren die Stimulation mit künstlichen und natur-inspirierten Stimuli. Der Hauptunterschied liegt im unterschiedlichen Grad der Parametrisierung der beiden Stimulus-Ansätze. Je klarer die Parameter definiert sind, desto eher sind die Bildstatistiken in Verbindung mit einem experimentellen Ergebnis zu verbinden. Mit Hilfe sogenannter Motion Clouds wurde ein Stimulus geschaffen, welcher sowohl natürliche Bildstatistiken abbilden kann, aber gleichzeitig auch ein hohes Maß an Parametrisierung mitbringt. In der vorliegenden Thesis sollen die Motion Clouds in einem Verhaltensversuch mit Mäusen mit Blick auf den Einfluss einzelner Parameter getestet werden. Hierbei wurde zunächst ein Versuchssetup entwickelt, basierend auf dem Prinzip der operanten Konditionierung. Dieses System, die sogenannte Touchscreen Chamber, ist ein hoch automatisiertes Werkzeug für das Tiertraining. Gleichzeitig bieten die modularen und flexiblen Hardware- und Softwarezusammenstellung die Möglichkeit auch mit Stimuli zu arbeiten, die frei wählbar sind. Eine erste Prüfung des Versuchsaufbaus erfolgte anhand der experimentellen Überprüfung eines Tests der Auswirkung einer Überrepräsentation von Neuronen im primären visuellen Kortex, welche auf horizontale und vertikale Reize reagieren. Dieser Umstand steht auch in Verbindung mit den Orientierungen in natürlichen Fotoaufnahmen, welche im Schnitt eine Überrepräsentation eben dieser Orientierungen aufweisen. Es konnte in dieser Thesis gezeigt werden, dass dieser Effekt in Mäusen dazu führt, dass Orientierungen besser unterschieden werden können, wenn diese horizontal oder vertikal sind, als wenn sie dazwischenliegen. Dieser Effekt ließ sich im Experiment allerdings auch aufheben, indem die Tiere gezielt darauf trainiert wurden die unterrepräsentierten Orientierungen von anderen zu unterscheiden. Im nächsten Schritt wurde das Versuchskonzept auf die natur-inspirierten Motion Clouds verwendet. Es wird hierbei angenommen, dass die Verarbeitung im Kortex auf der Basis parallel geschalteter sensorischer Kanäle basiert. Hierbei werden zwei Versuche vorgestellt in denen die Tiere lernen, zwei unterschiedlich orientierte Motion Clouds zu unterscheiden, sowie die Differenzierung von Motion Clouds mit einer unterschiedlichen räumlichen Frequenz. Hierbei kann gezeigt werden, dass unterschiedliche Bandbreiten der räumlichen Frequenz, wie sie auch in der Natur vorkommt, keinen Einfluss auf die Orientierungsunterschiedung hat. Im Gegensatz dazu führt eine höhere Bandbreite an Orientierungen im Stimulus zu einer verbesserten Unterscheidungsfähigkeit der räumlichen Frequenz. Dies unterstützt die Hypothese, dass mehrere aktivierte sensorische Kanäle eine Verbesserung der Versuchsleistung erzielen. Abschließend wurden die Versuche, insbesondere das Trainingsprogramm und die Orientierungsunterscheidung zur Ausbildung von Biologie-Studenten modifiziert und erwies sich als fundiertes Ausbildungskonzept.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehr- und Forschungsgebiet Molekulare und systemische Neurophysiologie [162320]