Samtidige eye tracking og Single-Nevron innspillinger i Human epilepsi pasienter
Summary
Vi beskriver en metode for å gjennomføre single-Nevron innspillinger med samtidig øye sporing hos mennesker. Vi viser nytten av denne metoden og illustrerer hvordan vi brukte denne tilnærmingen til å få neurons i den menneskelige midtre timelige flik som kodes mål for en visuell søk.
Abstract
Intrakraniell innspillinger fra pasienter med intractable epilepsi gir en unik mulighet til å studere aktiviteten til individuelle menneskelige neurons under aktiv adferd. Et viktig verktøy for kvantifisere atferd er øye sporing, som er et uunnværlig verktøy for å studere visuell oppmerksomhet. Men øye sporing er utfordrende å bruke samtidig med invasiv elektrofysiologi og denne tilnærmingen har derfor vært lite brukt. Her presenterer vi en bevist eksperimentell protokoll for å gjennomføre single-Nevron innspillinger med samtidig øye sporing hos mennesker. Vi beskriver hvordan systemene er koblet sammen og de optimale innstillingene for å registrere neurons og øyebevegelser. For å illustrere nytten av denne metoden, oppsummerer vi resultater som ble gjort mulig ved dette oppsettet. Disse dataene viser hvordan bruke øye sporing i et minne-guidet visuell søke oppgave tillot oss å beskrive en ny klasse av neurons kalt Target neurons, hvis responsen var reflektert av ovenfra og ned oppmerksomhet til gjeldende søk målet. Til slutt diskuterer vi betydningen og løsningene på potensielle problemer med dette oppsettet. Sammen, vår protokoll og resultater tyder på at single-Nevron innspillinger med samtidig øye sporing i mennesker er en effektiv metode for å studere menneskelige hjernefunksjon. Den skaffer en nøkkel savner koble sammen imellom dyr nevrofysiologi og Human Cognitive nevrovitenskap.
Introduction
Human enkelt-Nevron innspillinger er et unikt og kraftig verktøy for å utforske funksjonen til den menneskelige hjerne med ekstraordinære romlig og Temporal oppløsning1. Nylig, Single-Nevron innspillinger har fått bred bruk innen kognitiv nevrovitenskap fordi de tillater direkte undersøkelse av kognitive prosesser sentrale for menneskelig kognisjon. Disse opptakene er gjort mulig av klinisk behov for å bestemme plasseringen av epileptiske prioriteringer, som dybde elektroder er midlertidig implantert i hjernen til pasienter med mistanke om fokal epilepsi. Med dette oppsettet, enkelt-Nevron innspillinger kan fås ved hjelp microwires stikker ut fra spissen av hybrid dybde elektroden (en detaljert beskrivelse av kirurgisk metodikk involvert i innsetting av hybrid dybde elektroder er gitt i forrige protokoll2). Blant annet har denne metoden blitt brukt til å studere menneskelig minne3,4, Emotion5,6, og oppmerksomhet7,8.
Eye tracking måler blikket posisjon og øyebevegelser (fixations og saccades) under kognitive oppgaver. Video-baserte øye sporer vanligvis bruker hornhinnen refleksjon og midten av eleven som funksjoner for å spore over tid9. Eye tracking er en viktig metode for å studere visuell oppmerksomhet fordi blikket stedet indikerer fokus for oppmerksomhet i de fleste naturlige atferd10,11,12. Eye tracking har blitt brukt mye for å studere visuell oppmerksomhet i friske individer13 og nevrologiskepopulasjoner 14,15,16.
Mens både single-Nevron innspillinger og øye sporing er individuelt brukes mye i mennesker, har få studier brukt begge samtidig. Som et resultat, er det fortsatt i stor grad ukjent hvordan neurons i den menneskelige hjerne reagerer på øyebevegelser og/eller om de er følsomme for tiden fiksert stimulans. Dette er i motsetning til studier med aper, der eye-tracking med samtidige single-Nevron innspillinger har blitt et standard verktøy. For å direkte undersøke neuronal respons på øyebevegelser, kombinerte vi menneskelige enkelt-Nevron innspillinger og øye sporing. Her beskriver vi protokollen til å utføre slike eksperimenter og deretter illustrere resultatene gjennom et konkret eksempel.
Til tross for den etablerte rollen til den menneskelige midtre Temporal flik (MTL) i både objekt representasjon17,18 og minne3,19, er det fortsatt i stor grad ukjent om MTL neurons er modulert som en funksjon av topp-ned oppmerksomhet til behaviorally relevante mål. Å studere slike neurons er viktig å begynne å forstå hvordan mål-relevant informasjon påvirker nedenfra og opp visuelle prosesser. Her viser vi nytten av eye tracking mens innspillingen neurons bruker guidet visuelt søk, et velkjent paradigme å studere målrettet atferd20,21,22,23, 24 priser og , 25. ved hjelp av denne metoden, har vi nylig beskrevet en klasse av neurons kalt Target neurons, som signaliserer om tiden gikk stimulans er målet for en pågående søk8. I nedenfor presenterer vi studie protokollen som trengs for å gjengi denne tidligere vitenskapelige studien. Legg merke til at i dette eksempelet kan protokollen enkelt justeres for å studere en vilkårlig visuell oppmerksomhet oppgave.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne protokollen, beskrev vi hvordan du kan ansette single-Nevron innspillinger med samtidige eye tracking og beskrev hvordan vi brukte denne metoden for å identifisere mål neurons i den menneskelige MTL.
Det setup medfører tre datamaskiner: ettall utfører vervet (stimulans Computer), ettall running det øye bane, og ettall running oppkjøpet system. For å synkronisere mellom de tre systemene, brukes parallellporten til å sende TTL-utløsere fra stimulans datamaskinen til elektrofysio…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker alle pasienter for deres deltagelse. Denne forskningen ble støttet av Rockefeller nevrovitenskap Institute, Autism Science Foundation og Dana Foundation (til S.W.), en NSF CAREER Award (1554105 til U.R.), og NIH (R01MH110831 og U01NS098961 til U.R.). Oppdragsgivers hadde ingen rolle i studien design, datainnsamling og analyse, beslutning om å publisere, eller utarbeidelse av manuskriptet. Vi takker James Lee, Erika Quan, og de ansatte i sedertrær-Sinai simulering Center for deres hjelp i å produsere demonstrasjonen video.
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).
