Insan Epilepsi hastalarında eşzamanlı göz Izleme ve tek nöron kayıtları
Summary
Biz insanlarda eşzamanlı göz izleme ile tek nöron kayıtları yürütmek için bir yöntem açıklanmaktadır. Biz bu yöntemin yardımcı programı göstermek ve görsel bir arama hedefleri kodlamak insan medial temporal lob nöronlar elde etmek için bu yaklaşımı nasıl kullanıldığını göstermek.
Abstract
İnatçı epilepsi hastalarından gelen intrakraniyal kayıtlar, aktif davranışlar sırasında bireysel insan nöronların aktivitesini incelemek için benzersiz bir fırsat sağlar. Davranış ölçümleme için önemli bir araç göz izleme, görsel dikkat okumak için vazgeçilmez bir araçtır. Ancak, göz izleme invaziv Elektrofizyoloji ile eşzamanlı olarak kullanmak zordur ve bu yaklaşım, dolayısıyla az kullanıldı. Burada, insanlarda eşzamanlı göz izleme ile tek nöron kayıtları yürütmek için kanıtlanmış deneysel bir protokol sunuyoruz. Sistemlerin nasıl bağlandığını ve nöronları ve göz hareketlerini kaydetmek için en uygun ayarları açıklayacağız. Bu yöntemin yardımcı programını göstermek için bu kurulum tarafından mümkün yapılan sonuçları özetliyoruz. Bu veriler nasıl bir bellek destekli görsel arama görevi göz izleme kullanarak bize nöronların yeni bir sınıf açıklamak için izin gösterir hedef nöronlar denilen, hangi yanıtı geçerli arama hedefine yukarıdan aşağıya dikkat yansıtıcı oldu. Son olarak, bu kurulumunun olası sorunlarına önem ve çözümleri tartışıyoruz. Birlikte, bizim protokol ve sonuçlar, insanlarda eşzamanlı göz izleme ile tek nöron kayıtların insan beyin fonksiyonunu incelemek için etkili bir yöntem olduğunu düşündürmektedir. Hayvan Nörofizyoloji ve insan bilişsel Nörobilim arasında anahtar eksik bağlantı sağlar.
Introduction
İnsan tek nöron kayıtları olağanüstü uzamsal ve temporal çözünürlük1ile insan beyninin fonksiyonunu keşfetmek için benzersiz ve güçlü bir araçtır. Son zamanlarda, tek nöron kayıtları bilişsel Nörobilim alanında geniş kullanım kazanmıştır çünkü onlar insan biliş merkezi bilişsel süreçlerin doğrudan soruşturma izin. Bu kayıtlar epileptik odakların pozisyonunu belirlemek için klinik ihtiyaca göre mümkün hale gelmiştir, hangi derinlik elektrotları geçici olarak şüpheli fokal epilepsi hastalarının beyine implante edilir. Bu kurulum ile, tek nöron kayıtları hibrid derinlik elektrot ucundan çıkıntılı mikroteller kullanılarak elde edilebilir (hibrid derinlik elektrotları ekleme dahil cerrahi metodolojisi ayrıntılı bir açıklaması önceki sağlanır Protokol2). Diğerleri arasında, bu yöntem insan belleği3,4, duygu5,6ve dikkat7,8çalışma için kullanılmıştır.
Göz izleme önlemleri, bilişsel görevler sırasında konum ve göz hareketlerini (sabitleme ve saccades) izliyor. Video tabanlı göz izci genellikle zaman içinde izlemek için özellikleri olarak kornea yansıma ve öğrenci merkezini kullanmak9. Göz izleme, bakış konumu en doğal davranışlar10,11,12sırasında dikkat odağı gösterir, çünkü görsel dikkat okumak için önemli bir yöntemdir. Göz izleme sağlıklı bireyler13 ve nörolojik nüfus14,15,16görsel dikkat okumak için yaygın olarak kullanılmıştır.
Hem tek nöron kayıtları hem de göz izleme bireysel olarak yaygın olarak kullanılır iken, birkaç çalışmalar aynı anda hem kullandı. Sonuç olarak, hala insan beynindeki nöronların göz hareketlerine nasıl tepki vereceğini ve/veya şu anda sabitleme stimülenine duyarlı olup olmadıklarını büyük ölçüde bilinmiyor. Bu, aynı anda tek nöron kayıtları ile göz izleme standart bir araç haline gelmiştir Macaques, çalışmaları aksine. Göz hareketlerine yönelik nöronal tepkisi doğrudan araştırmak için, insan tek nöron kayıtlarını ve göz takibini birleştirdik. Burada bu tür deneyler yapmak ve daha sonra somut bir örnek yoluyla sonuçları göstermek için protokol açıklanmaktadır.
Her iki nesne gösterimi17,18 ve bellek3,19, insan medial temporal lob (MTL) kurulan rolü rağmen mtl nöronların bir fonksiyon olarak modüle olup olmadığını büyük ölçüde bilinmiyor kalır davranışsal olarak ilgili hedeflere üst-aşağı dikkat. Bu tür nöronların incelenmesi, hedefe ilişkin bilgilerin aşağıdan yukarı görsel süreçleri nasıl etkilediğini anlamaya başlamak önemlidir. Burada, biz güdümlü görsel arama kullanarak nöronlar kaydederken göz izleme Utility göstermek, iyi bilinen bir paradigma hedef yönlendirilmiş davranış çalışması için20,21,22,23, 24 , 25. bu yöntemi kullanarak, son zamanlarda şu anda katılan uyarıcı devam eden bir arama hedefi olup olmadığını sinyalleri hedef nöronlar denilen nöronların bir sınıf açıklanan8. Aşağıda, bu önceki bilimsel Etüdü çoğaltmak için gereken çalışma protokolünü sunuyoruz. Bu örnekte, protokol kolayca rasgele bir görsel dikkat görevi incelemek için ayarlanabilir unutmayın.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokolde, eşzamanlı göz takibi ile tek nöron kayıtların nasıl kullanıldığını ve insan MTL ‘deki hedef nöronları belirlemek için bu yöntemi nasıl kullandığımız açıklanmaktadır.
Kurulum üç bilgisayar içerir: bir görev yürütme (uyarıcı bilgisayar), bir göz izci çalışan, ve bir edinme sistemi çalışan. Üç sistem arasında senkronize etmek için paralel bağlantı noktası, uyarıcı bilgisayardan electrofizyoloji sistemine TTL Tetikleyiciler göndermek …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Tüm hastalara katılmaları için teşekkür ederiz. Bu araştırma Rockefeller Nörobilim Enstitüsü, otizm Bilim Vakfı ve Dana Vakfı (S.W. için), bir NSF karıyer Ödülü (1554105 ur) ve NıH (R01MH110831 ve U01NS098961 ur) tarafından desteklenmektedir. Fon ders çalışma tasarımı, veri toplama ve analiz, yayınlama kararı ya da el yazması hazırlık rolü yoktu. Biz James Lee, Erika Quan, ve Cedars-Sinai simülasyon Merkezi personeli demo video üreten onların yardımı için teşekkür ederiz.
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).
