Seguimiento ocular simultáneo y grabaciones de una sola neurona en pacientes con epilepsia humana
Summary
Describimos un método para llevar a cabo grabaciones de una sola neurona con seguimiento ocular simultáneo en humanos. Demostramos la utilidad de este método e ilustramos cómo usamos este enfoque para obtener neuronas en el lóbulo temporal medial humano que codifican objetivos de una búsqueda visual.
Abstract
Las grabaciones intracraneales de pacientes con epilepsia intratable proporcionan una oportunidad única para estudiar la actividad de las neuronas humanas individuales durante el comportamiento activo. Una herramienta importante para cuantificar el comportamiento es el seguimiento ocular, que es una herramienta indispensable para estudiar la atención visual. Sin embargo, el seguimiento ocular es difícil de usar simultáneamente con la electrofisiología invasiva y, por lo tanto, este enfoque se ha utilizado poco. Aquí, presentamos un protocolo experimental probado para llevar a cabo grabaciones de una sola neurona con seguimiento ocular simultáneo en humanos. Describimos cómo los sistemas están conectados y los ajustes óptimos para registrar las neuronas y los movimientos oculares. Para ilustrar la utilidad de este método, resumimos los resultados que fueron posibles gracias a esta configuración. Estos datos muestran cómo el uso del seguimiento ocular en una tarea de búsqueda visual guiada por memoria nos permitió describir una nueva clase de neuronas llamadas neuronas objetivo, cuya respuesta reflejaba la atención de arriba hacia abajo al objetivo de búsqueda actual. Por último, analizamos la importancia y las soluciones a los posibles problemas de esta configuración. Juntos, nuestro protocolo y los resultados sugieren que las grabaciones de una sola neurona con seguimiento ocular simultáneo en seres humanos son un método eficaz para estudiar la función cerebral humana. Proporciona un vínculo clave entre la neurofisiología animal y la neurociencia cognitiva humana.
Introduction
Las grabaciones humanas de una sola neurona son una herramienta única ypoderosa para explorar la función del cerebro humano con una resolución espacial y temporal extraordinaria 1. Recientemente, grabaciones de una sola neurona han ganado un amplio uso en el campo de la neurociencia cognitiva porque permiten la investigación directa de los procesos cognitivos centrales para la cognición humana. Estas grabaciones son posibles gracias a la necesidad clínica de determinar la posición de los focos epilépticos, para los cuales los electrodos de profundidad se implantan temporalmente en el cerebro de los pacientes con sospecha de epilepsia focal. Con esta configuración, las grabaciones de una sola neurona se pueden obtener utilizando microhilos que sobresalen de la punta del electrodo de profundidad híbrido (una descripción detallada de la metodología quirúrgica implicada en la inserción de electrodos de profundidad híbridos se proporciona en el anterior protocolo2). Entre otros, este método se ha utilizado para estudiar la memoria humana3,4, emoción5,6, y la atención7,8.
El seguimiento ocular mide la posición de la mirada y los movimientos oculares (fijaciones y saccades) durante las tareas cognitivas. Los rastreadores oculares basados en vídeo suelen utilizar el reflejo corneal y el centro de la pupila como características para realizar un seguimiento a lo largo del tiempo9. El seguimiento ocular es un método importante para estudiar la atención visual porque la ubicación de la mirada indica el foco de atención durante la mayoría de los comportamientos naturales10,11,12. El seguimiento ocular se ha utilizado ampliamente para estudiar la atención visual en individuos sanos13 y poblaciones neurológicas14,15,16.
Mientras que las grabaciones de una sola neurona y el seguimiento ocular se utilizan individualmente ampliamente en seres humanos, pocos estudios han utilizado ambos simultáneamente. Como resultado, todavía se desconoce en gran medida cómo las neuronas en el cerebro humano responden a los movimientos oculares y / o si son sensibles al estímulo actualmente fijado. Esto contrasta con los estudios con macacos, donde el seguimiento ocular con grabaciones simultáneas de una sola neurona se ha convertido en una herramienta estándar. Con el fin de investigar directamente la respuesta neuronal a los movimientos oculares, combinamos grabaciones humanas de una sola neurona y seguimiento ocular. Aquí describimos el protocolo para llevar a cabo estos experimentos y luego ilustramos los resultados a través de un ejemplo concreto.
A pesar del papel establecido del lóbulo temporal medial humano (MTL) tanto en la representación de objetos17,18 y la memoria3,19, sigue siendo en gran medida desconocido si las neuronas MTL se modulan en función de atención de arriba hacia abajo a objetivos relevantes para el comportamiento. Estudiar estas neuronas es importante para empezar a entender cómo la información relevante para objetivos influye en los procesos visuales de abajo hacia arriba. Aquí, demostramos la utilidad del seguimiento ocular mientras se registran las neuronas mediante la búsqueda visual guiada, un paradigma bien conocido para estudiar el comportamiento dirigido a objetivos20,21,22,23, 24 , 25. Usando este método, recientemente describimos una clase de neuronas llamadas neuronas objetivo, que indica si el estímulo actualmente atendido es el objetivo de una búsqueda continua8. A continuación, presentamos el protocolo de estudio necesario para reproducir este estudio científico anterior. Tenga en cuenta que a lo largo de este ejemplo, el protocolo se puede ajustar fácilmente para estudiar una tarea de atención visual arbitraria.
Protocol
Representative Results
Discussion
En este protocolo, describimos cómo emplear grabaciones de una sola neurona con seguimiento ocular simultáneo y describimos cómo usamos este método para identificar las neuronas objetivo en el MTL humano.
La configuración implica tres equipos: uno ejecutando la tarea (ordenador de estímulo), uno que ejecuta el rastreador de ojos y otro que ejecuta el sistema de adquisición. Para sincronizar entre los tres sistemas, el puerto paralelo se utiliza para enviar disparadores TTL desde el orde…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a todos los pacientes por su participación. Esta investigación fue apoyada por el Rockefeller Neuroscience Institute, la Autism Science Foundation y la Dana Foundation (a S.W.), un premio NSF CAREER (1554105 a U.R.), y el NIH (R01MH110831 y U01NS098961 a U.R.). Los funderos no tenían ningún papel en el diseño del estudio, la recopilación y el análisis de datos, la decisión de publicar o la preparación del manuscrito. Agradecemos a James Lee, Erika Quan y al personal del Centro de Simulación Cedars-Sinai por su ayuda en la producción del video de demostración.
Materials
| Cedrus Response Box | Cedrus (https://cedrus.com/) | RB-844 | Button box |
| Dell Laptop | Dell (https://dell.com) | Precision 7520 | Stimulus Computer |
| EyeLink Eye Tracker | SR Research (https://www.sr-research.com) | 1000 Plus Remote with laptop host computer and LCD arm mount | Eye tracking |
| MATLAB | MathWorks Inc | R2016a (RRID: SCR_001622) | Data analysis |
| Neuralynx Neurophysiology System | Neuralynx (https://neuralynx.com) | ATLAS 128 | Electrophysiology |
| Osort | Open source | v4.1 (RRID: SCR_015869) | Spike sorting algorithm |
| Psychophysics Toolbx | Open source | PTB3 ( RRID: SCR_002881) | Matlab toolbox to implement psychophysical experiments |
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