Одновременное отслеживание глаз и однонейронные записи у пациентов с эпилепсией человека
Summary
Мы описываем метод проведения однонейронных записей с одновременным отслеживанием глаз у людей. Мы демонстрируем полезность этого метода и иллюстрируем, как мы использовали этот подход для получения нейронов в человеческой медиальной височной доле, которая кодирует цели визуального поиска.
Abstract
Внутричерепные записи пациентов с неразрешимой эпилепсией дают уникальную возможность изучить активность отдельных человеческих нейронов во время активного поведения. Важным инструментом количественного поведения является отслеживание глаз, которое является незаменимым инструментом для изучения визуального внимания. Тем не менее, отслеживание глаз является сложной задачей для использования одновременно с инвазивной электрофизиологии, и этот подход, следовательно, мало используется. Здесь мы представляем проверенный экспериментальный протокол для проведения однонейронных записей с одновременным отслеживанием глаз у людей. Мы описываем, как системы связаны и оптимальные настройки для записи нейронов и движений глаз. Чтобы проиллюстрировать полезность этого метода, мы подводим итоги, которые стали возможными благодаря этой настройке. Эти данные показывают, как использование отслеживания глаз в задаче визуального поиска с направляемым в памяти позволило нам описать новый класс нейронов, называемых целевыми нейронами, ответ которых отражал внимание сверху вниз к текущей цели поиска. Наконец, мы обсуждаем значение и решения потенциальных проблем этой установки. Вместе наш протокол и результаты показывают, что однонейронные записи с одновременным отслеживанием глаз у людей являются эффективным методом изучения функции человеческого мозга. Она обеспечивает ключевое недостающее звено между нейрофизиологией животных и когнитивной нейронаукой человека.
Introduction
Человеческие однонейронные записи являются уникальным и мощным инструментом для изучения функции человеческогомозга с чрезвычайным пространственным и временным разрешением 1. В последнее время, однонейронные записи получили широкое применение в области когнитивной нейронауки, потому что они позволяют прямое исследование когнитивных процессов, центральное место в человеческом познании. Эти записи становятся возможными благодаря клинической необходимости определения положения эпилептических очагов, для которых глубинные электроды временно имплантируются в мозг пациентов с подозрением на очаговую эпилепсию. С помощью этой установки, однонейронные записи могут быть получены с помощью микропроводов, выступающих из кончика гибридного электрода глубины (подробное описание хирургической методологии, участвующих в вставке гибридных электродов глубины предоставляется в предыдущем протокол2). Среди прочего, этот метод был использован для изучения человеческой памяти3,4, эмоции5,6,и внимание7,8.
Глаз отслеживания меры взгляд позиции и движения глаз (фиксации и саккады) во время когнитивных задач. Видео-трекеры глаз обычно используют отражение роговицы и центр зрачка в качестве функций для отслеживания с течением времени9. Отслеживание глаз является важным методом для изучения визуального внимания, потому что расположение взгляда указывает на фокус внимания во время большинства естественных поведений10,11,12. Отслеживание глаз широко используется для изучения визуального внимания у здоровых людей13 и неврологических популяций14,15,16.
Хотя обе записи одного нейрона и отслеживания глаз индивидуально широко используются в организме человека, несколько исследований использовали оба одновременно. В результате, он по-прежнему остается в значительной степени неизвестно, как нейроны в мозге человека реагировать на движения глаз и / или же они чувствительны к в настоящее время зацикленный стимул. Это в отличие от исследований с макаками, где отслеживание глаз с одновременными однонейронными записями стало стандартным инструментом. Для того, чтобы непосредственно исследовать нейрональную реакцию на движения глаз, мы объединили записи одного нейрона и отслеживание глаз. Здесь мы описываем протокол для проведения таких экспериментов, а затем иллюстрируем результаты на конкретном примере.
Несмотря на установленную роль человеческой медиальной височной доли (MTL) в обоих объектах представления17,18 и памяти3,19, остается в значительной степени неизвестно ли MTL нейроны модулируются как функция сверху вниз внимание к поведенчески соответствующих целей. Изучение таких нейронов важно, чтобы начать понимать, как целеусмемышечной информации влияет снизу вверх визуальных процессов. Здесь мы демонстрируем полезность отслеживания глаз при записи нейронов с помощью управляемого визуального поиска, хорошо известной парадигмы для изучения целенаправленного поведения20,21,22,23, 24 , 25. Используя этот метод, мы недавно описали класс нейронов, называемых целевых нейронов, который сигнализирует ли в настоящее время стимул является целью постоянного поиска8. В приведенном ниже мы представляем протокол исследования, необходимый для воспроизведения этого предыдущего научного исследования. Обратите внимание, что в этом примере протокол может быть легко скорректирован для изучения произвольной задачи визуального внимания.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом протоколе мы описали, как использовать записи с одним нейроном с одновременным отслеживанием глаз, и описали, как мы использовали этот метод для идентификации целевых нейронов в MTL человека.
Настройка включает в себя три компьютера: один выполнение задачи (стимул к…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим всех пациентов за их участие. Это исследование было поддержано Институтом неврологии Рокфеллера, Фондом науки о аутизме и Фондом Даны (для S.W.), наградой NSF CAREER (1554105 в U.R.) и NIH (R01MH10831 и U01NS098961 в U.R.). Спонсоры не принимали никакого значения в разработке, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи. Мы благодарим Джеймса Ли, Эрику Куан и сотрудников Центра моделирования Сидарс-Синай за их помощь в создании демонстрационного видео.
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).
