Behavioral and pupillometric correlates of perceptual decision making in mice performing a two alternative forced choice task

Ganea, Dan Alin; Kampa, Björn M. (Thesis advisor); Spehr, Marc (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Die Pupille ist ein komplexes System, das mehrere kognitiven Prozesse in einer zustandsabhängigen Weise widerspiegelt. Es bleibt jedoch weitgehend unklar, wie sich die verschiedenen kognitiven und wahrnehmungsbezogenen Inputs der Pupille bei der Ausführung komplexer Aufgaben widerspiegeln. Wie wirken verschiedene internen Zustände auf die Aufgabenleistung aus und wie beeinflussen die Taskvariablen die Pupillenerweiterungen unterschiedlich. Für diesen Bereich wurden Mäuse gleichzeitig mit der Pupillometrie in der Ausführung einer vibrotaktilen Zwei-Alternativ-Zwangswahlaufgabe (2-AFC) trainiert, die von den Probanden eine Auseinandersetzung damit erfordert (aktive Leistung), um nach der korrekten Unterscheidung eines Zielreizes aus zwei gleichzeitig dargebotenen Stimuli eine Belohnung zu erhalten. Die Pupillometrie, die gleichzeitig mit der Aufgabenausführung durchgeführt wurde, zeigte ein komplexes Muster von Dilatationen im Hinblick auf die verschiedenen Aufgabenvorkommen und im Zusammenhang mit der Aufgabenausführung. Bei der Entflechtung dieser Komponenten zeige ich, dass die Größe der Pupillen vor der Stimulation zwischen den Zuständen der Dissoziierung von der Aufgabenerfüllung und dem aktiven Engagement unterscheidet. Darüber hinaus sind die Pupillenerweiterungen bei aktiver Tätigkeit nach der Stimulation bei korrekten Reaktionen größer als bei Fehlerreaktionen, wobei dieser Unterschied die Konfidenz auf die Rückantwort widerspiegelt. Bei diesem Zustand des aktiven Engagements deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass das Erregungsniveau keinen Einfluss auf die Leistung hat. Wichtig ist, dass ich anhand einer verzögerten Version der 2-AFC-Aufgabe zeige, dass, obwohl Pupillentransienten hauptsächlich die motorische Leistung oder die Belohnungserwartung nach der Reaktion des Tieres widerspiegeln, sie auch die Entscheidungssicherheit des Tieres vor seiner Reaktion widerspiegeln, da dies ein integraler Bestandteil des Ausmaßes der Dilatation ist. Dabei zeigte sich, dass Pupillenerweiterungen zwei unterschiedliche Epochen aufweisen: Eine Pre-Response-Phase ist ein Marker für das Vertrauen auf die Rückantwort, der das Vertrauen bis zur Antwortzeit kontinuierlich widerspiegelt und je nach Schwierigkeit der Aufgabe variiert. Eine Post-Response-Phase, die eine deutliche Dilatation im Vergleich zur Pre-Response-Komponente aufweist, die an die Rückantwort gebunden ist und hauptsächlich die motorische Komponente der Antwort oder eine mögliche Belohnungsantizipation widerspiegelt. In einem Zustand passiven Tätigkeit, in dem der Stimulus keine Aufgabenrelevanz hat wobei die Belohnung automatisch gewährt wird, spiegeln Pupillenerweiterungen schließlich die Tatsache wider, dass Stimulation und Belohnung im Vergleich zu einem Zustand aktiven Tätigkeit reduziert sind, der durch Verschiebungen der Aufmerksamkeit von den Aufgabenvariablen erklärt wird. n. Diese Ergebnisse liefern einen weiteren Beweis dafür, wie Pupillenerweiterungen kognitive Prozesse in einem aufgabenrelevanten Kontext widerspiegeln, indem sie zeigen, dass die Pupille das Vertrauen auf Rückantwort widerspiegelt und die Pupillengröße der Ausgangspupille eher Aufmerksamkeit als allgemeine Erregung kodiert. Im Allgemeinen zeigen diese Ergebnisse, dass Pupillenerweiterungen sowohl Aspekte der aufgabenbezogenen Wahrnehmungserfahrung des Probanden als auch interne Repräsentationen der Entscheidungssicherheit verfolgen. Insgesamt liefern die in der Arbeit detaillierten Ergebnisse neue Einsichten in das kognitive Substrat von Pupillenerweiterungen. Hervorhebung einer neuen kognitiven Komponente, die von Pupille reflektiert wird, nämlich des Reaktionsvertrauens. Darüber hinaus etabliert diese Arbeit durch ihre verschiedenen Aufgabenvarianten einen methodischen Ansatz, der es erlaubt, in Zukunft mit neurometrischen Methoden für Aufnahmen der groß angelegten neuronalen Netzwerkdynamik bei Verfolgung und Entwirrung der Loci von Vertrauensdarstellungen im Gehirn zu helfen. Diese Aufnahmen können mit Multielektroden- (Jun et al., 2017) oder Zwei-Photonen-Bildgebung (Margolis et al. 2014; Stirman et al., 2016) implementiert werden.