تتبع العين في وقت واحد وتسجيلات الخلايا العصبية واحدة في مرضى الصرع البشري
Summary
نحن نصف طريقة لإجراء تسجيلات الخلايا العصبية واحدة مع تتبع العين في وقت واحد في البشر. نحن نبين فائدة هذه الطريقة ونبين كيف استخدمنا هذا النهج للحصول على الخلايا العصبية في الفص الزمني الوسيط البشري الذي ترميز أهداف البحث البصري.
Abstract
توفر التسجيلات داخل الجمجمة من المرضى الذين يعانون من الصرع المستعصي فرصة فريدة لدراسة نشاط الخلايا العصبية البشرية الفردية أثناء السلوك النشط. أداة هامة لتحديد السلوك هو تتبع العين، والتي هي أداة لا غنى عنها لدراسة الاهتمام البصري. ومع ذلك، تتبع العين من الصعب استخدامها في وقت واحد مع الفيزيولوجيا الكهربائية الغازية، وبالتالي تم استخدام هذا النهج قليلا. هنا، نقدم بروتوكول تجريبي ثبت لإجراء تسجيلات الخلايا العصبية واحدة مع تتبع العين في وقت واحد في البشر. نحن نصف كيفية اتصال النظم والإعدادات المثلى لتسجيل الخلايا العصبية وحركات العين. لتوضيح فائدة هذا الأسلوب، نلخص النتائج التي تم إجراؤها بواسطة هذا الإعداد. توضح هذه البيانات كيف أن استخدام تتبع العين في مهمة بحث مرئي موجهة بالذاكرة سمح لنا بوصف فئة جديدة من الخلايا العصبية تسمى الخلايا العصبية المستهدفة، والتي كانت استجابتها تعكس الاهتمام من أعلى إلى أسفل بالهدف الحالي للبحث. وأخيرا، نناقش أهمية وحلول للمشاكل المحتملة لهذا الإعداد. معا, بروتوكولنا والنتائج تشير إلى أن تسجيلات الخلايا العصبية واحدة مع تتبع العين في وقت واحد في البشر هي وسيلة فعالة لدراسة وظيفة الدماغ البشري. وهو يوفر حلقة رئيسية مفقودة بين الفيزيولوجيا العصبية الحيوانية وعلم الأعصاب المعرفي البشري.
Introduction
تسجيلات الإنسان أحادية الخلايا العصبية هي أداة فريدة وقوية لاستكشاف وظيفة الدماغ البشري مع القرار المكاني والزمني غير عادية1. في الآونة الأخيرة، اكتسبت تسجيلات الخلايا العصبية واحدة استخدام واسع النطاق في مجال علم الأعصاب المعرفي لأنها تسمح بالتحقيق المباشر في العمليات المعرفية المركزية للإدراك البشري. هذه التسجيلات ممكنة من خلال الحاجة السريرية لتحديد موضع بؤر الصرع، والتي يتم زرع أقطاب عمق مؤقتا في عقول المرضى الذين يشتبه في الصرع البؤري. مع هذا الإعداد، يمكن الحصول على تسجيلات الخلايا العصبية واحدة باستخدام الأسلاك الدقيقة جاحظ من طرف القطب عمق الهجين (يتم توفير وصف مفصل للمنهجية الجراحية المشاركة في إدخال أقطاب عمق الهجين في السابق البروتوكول2). من بين أمور أخرى، وقد استخدمتهذه الطريقة لدراسة الذاكرة البشرية 3،4،العاطفة 5،6،والاهتمام7،8.
يقيس تتبع العين موقف النظرة وحركات العين (التثبيتات والسكاديات) أثناء المهام المعرفية. عادة ما تستخدم أجهزة تعقب العين المستندة إلى الفيديو انعكاس القرنية ومركز التلميذ كميزات لتتبع مع مرور الوقت9. تتبع العين هو وسيلة هامة لدراسة الاهتمام البصري لأن موقع النظرة يشير إلى تركيز الاهتمام خلال معظم السلوكيات الطبيعية10،11،12. وقد استخدم تتبع العين على نطاق واسع لدراسة الاهتمام البصري في الأفراد الأصحاء13 والسكان العصبية14،15،16.
في حين يتم استخدام كل من تسجيلات الخلايا العصبية واحدة وتتبع العين بشكل فردي على نطاق واسع في البشر, وقد استخدمت دراسات قليلة على حد سواء في وقت واحد. ونتيجة لذلك، لا يزال من غير المعروف إلى حد كبير كيف تستجيب الخلايا العصبية في الدماغ البشري لحركات العين و / أو ما إذا كانت حساسة للتحفيز المثبتحاليا. هذا هو على النقيض من الدراسات مع macaques، حيث تتبع العين مع تسجيلات الخلايا العصبية واحدة في وقت واحد أصبح أداة قياسية. من أجل التحقيق مباشرة في استجابة الخلايا العصبية لحركات العين، ونحن الجمع بين تسجيلات الخلايا العصبية أحادية الإنسان وتتبع العين. وهنا نوصف البروتوكول لإجراء مثل هذه التجارب ثم نوضح النتائج من خلال مثال ملموس.
على الرغم من الدور الثابت للفص الزمني الوسيط البشري (MTL) في كل من تمثيل الكائن17و18 والذاكرة3 و19، فإنه لا يزال غير معروف إلى حد كبير ما إذا كانت الخلايا العصبية MTL يتم تعديلها كدالة من أعلى إلى أسفل الانتباه إلى الأهداف ذات الصلة سلوكيا. دراسة هذه الخلايا العصبية من المهم أن تبدأ في فهم كيفية تأثير المعلومات ذات الصلة بالأهداف العمليات البصرية من أسفل إلى أعلى. هنا، نبرهن على فائدة تتبع العين أثناء تسجيل الخلايا العصبية باستخدام البحث البصري الموجه، وهو نموذج معروف لدراسة السلوك الموجه نحو الهدف20،21،22،23، 24 , 25.باستخدام هذه الطريقة، وصفنا مؤخرا فئة من الخلايا العصبية تسمى الخلايا العصبية المستهدفة، مما يشير إلى ما إذا كان التحفيز الذي يحضر حاليا هو الهدف من البحث المستمر8. في ما يلي، نقدم بروتوكول الدراسة اللازم ة لإعادة إنتاج هذه الدراسة العلمية السابقة. لاحظ أنه على طول هذا المثال، يمكن بسهولة تعديل البروتوكول لدراسة مهمة اهتمام مرئي عشوائي.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذا البروتوكول، وصفنا كيفية استخدام تسجيلات الخلايا العصبية واحدة مع تتبع العين في وقت واحد، ووصف كيف استخدمنا هذه الطريقة لتحديد الخلايا العصبية المستهدفة في MTL الإنسان.
يتضمن الإعداد ثلاثة أجهزة كمبيوتر: واحد تنفيذ المهمة (الكمبيوتر التحفيزي)، واحد تشغيل تعقب العين، ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونشكر جميع المرضى على مشاركتهم. وقد تم دعم هذا البحث من قبل معهد روكفلر لعلم الأعصاب، ومؤسسة علوم التوحد ومؤسسة دانا (إلى S.W.)، وجائزة NSF الوظيفي (1554105 إلى U.R.)، والمعاهد الوطنية للصحة (R01MH110831 وU01NS098961 إلى U.R.). ولم يكن للممولين أي دور في تصميم الدراسة، وجمع البيانات وتحليلها، أو اتخاذ قرار بنشر المخطوطة أو إعدادها. نشكر جيمس لي، إريكا كوان، وموظفي مركز محاكاة سيدارس سيناي على مساعدتهم في إنتاج الفيديو التجريبي.
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 |
References
- Fried, I., Rutishauser, U., Cerf, M., Kreiman, G. . Single Neuron Studies of the Human Brain: Probing Cognition. , (2014).
- Minxha, J., Mamelak, A. N., Rutishauser, U., Sillitoe, R. V. Surgical and Electrophysiological Techniques for Single-Neuron Recordings in Human Epilepsy Patients. Extracellular Recording Approaches. , 267-293 (2018).
- Rutishauser, U., Mamelak, A. N., Schuman, E. M. Single-Trial Learning of Novel Stimuli by Individual Neurons of the Human Hippocampus-Amygdala Complex. Neuron. 49, 805-813 (2006).
- Rutishauser, U., Ross, I. B., Mamelak, A. N., Schuman, E. M. Human memory strength is predicted by theta-frequency phase-locking of single neurons. Nature. 464, 903-907 (2010).
- Wang, S., et al. Neurons in the human amygdala selective for perceived emotion. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111, E3110-E3119 (2014).
- Wang, S., et al. The human amygdala parametrically encodes the intensity of specific facial emotions and their categorical ambiguity. Nature Communications. 8, 14821 (2017).
- Minxha, J., et al. Fixations Gate Species-Specific Responses to Free Viewing of Faces in the Human and Macaque Amygdala. Cell Reports. 18, 878-891 (2017).
- Wang, S., Mamelak, A. N., Adolphs, R., Rutishauser, U. Encoding of Target Detection during Visual Search by Single Neurons in the Human Brain. Current Biology. 28, 2058-2069 (2018).
- Holmqvist, K., et al. . Eye tracking: A comprehensive guide to methods and measures. , (2011).
- Liversedge, S. P., Findlay, J. M. Saccadic eye movements and cognition. Trends in Cognitive Sciences. 4, 6-14 (2000).
- Rehder, B., Hoffman, A. B. Eyetracking and selective attention in category learning. Cognitive Psychology. 51, 1-41 (2005).
- Blair, M. R., Watson, M. R., Walshe, R. C., Maj, F. Extremely selective attention: Eye-tracking studies of the dynamic allocation of attention to stimulus features in categorization. Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory, and Cognition. 35, 1196 (2009).
- Rutishauser, U., Koch, C. Probabilistic modeling of eye movement data during conjunction search via feature-based attention. Journal of Vision. 7, (2007).
- Wang, S., et al. Autism spectrum disorder, but not amygdala lesions, impairs social attention in visual search. Neuropsychologia. 63, 259-274 (2014).
- Wang, S., et al. Atypical Visual Saliency in Autism Spectrum Disorder Quantified through Model-Based Eye Tracking. Neuron. 88, 604-616 (2015).
- Wang, S., Tsuchiya, N., New, J., Hurlemann, R., Adolphs, R. Preferential attention to animals and people is independent of the amygdala. Social Cognitive and Affective Neuroscience. 10, 371-380 (2015).
- Fried, I., MacDonald, K. A., Wilson, C. L. Single Neuron Activity in Human Hippocampus and Amygdala during Recognition of Faces and Objects. Neuron. 18, 753-765 (1997).
- Kreiman, G., Koch, C., Fried, I. Category-specific visual responses of single neurons in the human medial temporal lobe. Nature Neuroscience. 3, 946-953 (2000).
- Squire, L. R., Stark, C. E. L., Clark, R. E. The Medial Temporal Lobe. Annual Review of Neuroscience. 27, 279-306 (2004).
- Chelazzi, L., Miller, E. K., Duncan, J., Desimone, R. A neural basis for visual search in inferior temporal cortex. Nature. 363, 345-347 (1993).
- Schall, J. D., Hanes, D. P. Neural basis of saccade target selection in frontal eye field during visual search. Nature. 366, 467-469 (1993).
- Wolfe, J. M. What Can 1 Million Trials Tell Us About Visual Search?. Psychological Science. 9, 33-39 (1998).
- Wolfe, J. M., Horowitz, T. S. What attributes guide the deployment of visual attention and how do they do it?. Nature Review Neuroscience. 5, 495-501 (2004).
- Sheinberg, D. L., Logothetis, N. K. Noticing Familiar Objects in Real World Scenes: The Role of Temporal Cortical Neurons in Natural Vision. The Journal of Neuroscience. 21, 1340-1350 (2001).
- Bichot, N. P., Rossi, A. F., Desimone, R. Parallel and Serial Neural Mechanisms for Visual Search in Macaque Area V4. Science. 308, 529-534 (2005).
- Rutishauser, U., Schuman, E. M., Mamelak, A. N. Online detection and sorting of extracellularly recorded action potentials in human medial temporal lobe recordings, in vivo. Journal of Neuroscience Methods. 154, 204-224 (2006).
