Tracciamento oculare simultaneo e registrazioni mononeurone nei pazienti affetti da epilessia umana
Summary
Descriviamo un metodo per condurre registrazioni mononeurone con tracciamento oculare simultaneo negli esseri umani. Dimostriamo l’utilità di questo metodo e illustriamo come abbiamo usato questo approccio per ottenere neuroni nel lobo temporale mediale umano che codificano gli obiettivi di una ricerca visiva.
Abstract
Le registrazioni intracraniche da pazienti con epilessia intrattabile forniscono un’opportunità unica per studiare l’attività dei singoli neuroni umani durante il comportamento attivo. Uno strumento importante per quantificare il comportamento è il tracciamento oculare, che è uno strumento indispensabile per studiare l’attenzione visiva. Tuttavia, il tracciamento oculare è difficile da usare contemporaneamente con l’elettrofisiologia invasiva e questo approccio è stato quindi poco utilizzato. Qui, presentiamo un protocollo sperimentale collaudato per condurre registrazioni mononeurone con tracciamento oculare simultaneo negli esseri umani. Descriviamo come i sistemi sono collegati e le impostazioni ottimali per registrare neuroni e movimenti oculari. Per illustrare l’utilità di questo metodo, riassumiamo i risultati resi possibili da questa impostazione. Questi dati mostrano come l’utilizzo del tracciamento oculare in un’attività di ricerca visiva guidata dalla memoria ci ha permesso di descrivere una nuova classe di neuroni chiamati neuroni bersaglio, la cui risposta rifletteva l’attenzione dall’alto verso il basso verso l’obiettivo di ricerca corrente. Infine, discutiamo il significato e le soluzioni ai potenziali problemi di questa configurazione. Insieme, il nostro protocollo e i risultati suggeriscono che le registrazioni mononeurone con tracciamento oculare simultaneo negli esseri umani sono un metodo efficace per studiare la funzione del cervello umano. Fornisce un collegamento mancato chiave tra neurofisiologia animale e neuroscienze cognitive umane.
Introduction
Le registrazioni umane mononeurone sono uno strumento unico e potente per esplorare la funzione del cervello umano con straordinaria risoluzione spaziale e temporale1. Recentemente, le registrazioni mononeurone hanno guadagnato ampio uso nel campo delle neuroscienze cognitive perché consentono l’indagine diretta dei processi cognitivi centrali alla cognizione umana. Queste registrazioni sono rese possibili dalla necessità clinica di determinare la posizione dei focolai epilettici, per i quali gli elettrodi di profondità vengono temporaneamente impiantati nel cervello di pazienti con sospetta epilessia focale. Con questa impostazione, le registrazioni mononeurone possono essere ottenute utilizzando microfili sporgenti dalla punta dell’elettrodo di profondità ibrido (una descrizione dettagliata della metodologia chirurgica coinvolta nell’inserimento di elettrodi di profondità ibrida è fornita nel precedente protocollo2). Tra gli altri, questo metodo è stato utilizzato per studiare la memoria umana3,4, emozione5,6, e attenzione7,8.
Il tracciamento oculare misura la posizione dello sguardo e i movimenti oculari (fissazioni e saccade) durante le attività cognitive. Gli eye tracker basati su video utilizzano in genere il riflesso corneale e il centro della pupilla come caratteristiche per tenere traccia nel tempo9. Il tracciamento oculare è un metodo importante per studiare l’attenzione visiva perché la posizione dello sguardo indica il focus dell’attenzione durante la maggior parte dei comportamenti naturali10,11,12. Il tracciamento oculare è stato ampiamente utilizzato per studiare l’attenzione visiva in individui sani13 e popolazioni neurologiche14,15,16.
Mentre entrambe le registrazioni mononeurone e tracciamento oculare sono utilizzati individualmente negli esseri umani, pochi studi hanno usato entrambi contemporaneamente. Di conseguenza, rimane ancora in gran parte sconosciuto come i neuroni nel cervello umano rispondono ai movimenti oculari e/o se sono sensibili allo stimolo attualmente fissato. Questo è in contrasto con gli studi con macachi, dove eye-tracking con registrazioni simultanee mononeurone è diventato uno strumento standard. Al fine di studiare direttamente la risposta neuronale ai movimenti oculari, abbiamo combinato le registrazioni dei singoli neuroni umani e il tracciamento oculare. Qui descriviamo il protocollo per condurre tali esperimenti e poi illustrare i risultati attraverso un esempio concreto.
Nonostante il ruolo consolidato del lobo temporale mediale umano (MTL) sia nella rappresentazione dell’oggetto17,18 e memoria3,19, rimane in gran parte sconosciuto se i neuroni MTL sono modulati in funzione di dall’alto verso il basso l’attenzione verso gli obiettivi rilevanti dal punto di vista comportamentale. Lo studio di tali neuroni è importante iniziare a capire come le informazioni rilevanti per gli obiettivi influenzano i processi visivi dal basso verso l’alto. Qui, dimostriamo l’utilità del monitoraggio oculare durante la registrazione dei neuroni utilizzando la ricerca visiva guidata, un paradigma noto per studiare il comportamento diretto agli obiettivi20,21,22,23, 24 Mi lasa’ di , 25. Utilizzando questo metodo, abbiamo recentemente descritto una classe di neuroni chiamati neuroni bersaglio, che segnala se lo stimolo attualmente frequentato è l’obiettivo di una ricerca in corso8. Di seguito, presentiamo il protocollo di studio necessario per riprodurre questo precedente studio scientifico. Si noti che lungo questo esempio, il protocollo può essere facilmente regolato per studiare un’attività di attenzione visiva arbitraria.
Protocol
Representative Results
Discussion
In questo protocollo, abbiamo descritto come impiegare registrazioni mononeurone con tracciamento oculare simultaneo e descritto come abbiamo usato questo metodo per identificare i neuroni bersaglio nella MTL umana.
L’installazione prevede tre computer: uno che esegue l’attività (computer di stimolo), uno che esegue l’eye tracker e uno che esegue il sistema di acquisizione. Per la sincronizzazione tra i tre sistemi, la porta parallela viene utilizzata per inviare trigger TTL dal computer di s…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo tutti i pazienti per la loro partecipazione. Questa ricerca è stata sostenuta dal Rockefeller Neuroscience Institute, dalla Autism Science Foundation e dalla Dana Foundation (a S.W.), un premio NSF CAREER (1554105 a U.R.) e il NIH (R01MH110831 e U01NS098961 a U.R.). I finanziatori non hanno avuto alcun ruolo nella progettazione dello studio, nella raccolta e nell’analisi dei dati, nella decisione di pubblicazione o nella preparazione del manoscritto. Ringraziamo James Lee, Erika Quan e lo staff del Cedars-Sinai Simulation Center per il loro aiuto nella produzione del video dimostrativo.
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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