인간 간질 환자에서 동시 눈 추적 및 단일 뉴런 기록
Summary
우리는 인간에 있는 동시 눈 추적을 가진 단 하나 신경 기록을 수행하는 방법을 기술합니다. 우리는 이 방법의 유용성을 설명하고 시각적 검색의 표적을 인코딩하는 인간 내측 측두엽에서 뉴런을 얻기 위해 이 접근법을 어떻게 사용했는지 설명합니다.
Abstract
난치성 간질 환자에서 두개 내 기록은 활성 행동 동안 개별 인간의 뉴런의 활동을 연구 할 수있는 독특한 기회를 제공합니다. 행동을 정량화하는 중요한 도구는 눈 추적이며, 이는 시각적 주의를 연구하는 데 없어서는 안 될 도구입니다. 그러나 아이트래킹은 침습적 전기생리학과 동시에 사용하기가 어렵고, 이 접근법은 결과적으로 거의 사용되지 않았습니다. 여기에서, 우리는 인간에 있는 동시 눈 추적을 가진 단 하나 신경 기록을 수행하기 위하여 입증된 실험 프로토콜을 제시합니다. 우리는 시스템이 연결되는 방법과 뉴런과 눈의 움직임을 기록하는 최적의 설정을 설명합니다. 이 메서드의 유용성을 설명하기 위해 이 설정으로 인해 가능한 결과를 요약합니다. 이 데이터는 메모리 유도 시각적 검색 작업에서 아이 트래킹을 사용하여 현재 검색 대상에 대한 하향식 주의를 반영하는 대상 뉴런이라는 새로운 뉴런 클래스를 설명할 수 있는 방법을 보여줍니다. 마지막으로, 이 설정의 잠재적인 문제에 대한 중요성과 해결 방법을 논의합니다. 함께, 우리의 프로토콜 및 결과 제안 인간에서 동시 눈 추적 단일 뉴런 기록 인간의 뇌 기능을 연구 하는 효과적인 방법. 그것은 동물 신경 생리학과 인간의 인지 신경 과학 사이 주요 누락 된 링크를 제공 합니다.
Introduction
인간의 단일 뉴런 기록은 특별한 공간 및 시간 적 해상도 1인간의 뇌의기능을 탐구하는 독특하고 강력한 도구입니다. 최근, 단일 뉴런 기록 인지 신경 과학 분야에서 광범위 한 사용을 얻고 있다 때문에 그들은 인간의 인식에 중앙 인지 프로세스의 직접 조사를 허용 하기 때문에. 이 기록은 심층 전극이 의심되는 국소 간질을 가진 환자의 두뇌로 일시적으로 이식되는 간질 초점의 위치를 결정하는 임상 필요에 의해 가능하게 됩니다. 이 설정을 통해 하이브리드 깊이 전극의 끝에서 돌출된 마이크로와이어를 사용하여 단일 뉴런 기록을 얻을 수 있습니다(하이브리드 깊이 전극의 삽입에 관여하는 수술 방법론에 대한 상세한 설명은 이전에 제공되었습니다. 프로토콜2). 그 중에서도, 이 방법은 인간의기억 3,4,감정5,6,주의7,8을연구하는 데 사용되었습니다.
아이트래킹은 인지 작업 중 시선 위치와 눈의 움직임(고정 및 사카데스)을 측정합니다. 비디오 기반 아이 트래커는 일반적으로 각막 반사와 동공의 중심을시간이 지남에 따라 추적하는 기능으로 사용합니다 9. 아이트래킹은 시선 위치가 대부분의 자연행동 중 주의의 초점을 나타내기 때문에 시각적인 주의를 연구하는 중요한 방법이다10,11,12. 아이트래킹은건강한 개인13명 및 신경학상 인구14,15,16에서시각적 인 주의를 연구하기 위해 광범위하게 사용되어 왔다.
단일 뉴런 기록과 아이 트래킹은 인간에서 개별적으로 광범위하게 사용되지만, 동시에 사용되는 연구는 거의 없습니다. 결과적으로, 그것은 여전히 크게 알 수 없는 인간의 두뇌에 있는 신경 눈 의 움직임에 응답 하는 방법 또는 그들은 현재 고정 된 자극에 민감한 여부. 이것은 동시 단일 뉴런 기록으로 눈 추적이 표준 도구가된 원숭이 연구와는 대조적입니다. 눈 의 움직임에 대한 신경 반응을 직접 조사하기 위해, 우리는 인간의 단일 뉴런 기록과 아이 트래킹을 결합했습니다. 여기서 우리는 그러한 실험을 수행하는 프로토콜을 설명하고 구체적인 예를 통해 결과를 설명한다.
개체 표현17,18 및 메모리3,19모두에서 인간 내측 측두엽(MTL)의 확립된 역할에도 불구하고, MTL 뉴런이 의 기능으로 변조되는지 여부는 크게 알려지지 않은 상태로 남아 있다. 행동 관련 목표에 대한 하향식 주의를 기울여야 합니다. 이러한 뉴런을 연구하는 것은 목표 관련 정보가 상향식 시각 과정에 미치는 영향을 이해하는 데 중요합니다. 여기서, 우리는 가이드 비주얼 검색을 사용하여 뉴런을 기록하는 동안 아이 트래킹의 유용성을 보여, 목표 지향 행동을 연구하는 잘 알려진 패러다임20,21,22,23, 24세 , 25. 이 방법을 사용하여, 우리는 최근에 현재 참석한 자극이 진행중인 검색의 목표인지 여부를 신호하는표적 뉴런이라는 뉴런의 클래스를 설명했다 8. 아래에서, 우리는 이 이전 과학적인 연구 결과를 재현하기 위하여 필요한 연구 프로토콜을 제시합니다. 이 예제에서 프로토콜을 쉽게 조정하여 임의의 시각적 주의 작업을 연구할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 프로토콜에서는 동시 아이 트래킹을 사용한 단일 뉴런 기록을 사용하는 방법을 설명하고 이 방법을 사용하여 인간 MTL의 표적 뉴런을 식별하는 방법을 설명했습니다.
설치에는 작업 실행(자극 컴퓨터), 아이 트래커를 실행하는 컴퓨터, 수집 시스템을 실행하는 컴퓨터 1대 등 세 대의 컴퓨터가 포함됩니다. 세 시스템 간의 동기화를 위해 병렬 포트는 자극 컴퓨터에서 전기 생…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 그들의 참여에 대한 모든 환자에게 감사드립니다. 이 연구는 록펠러 신경 과학 연구소, 자폐증 과학 재단 및 다나 재단 (S.W.), NSF 커리어 상 (1554105 ~ U.R.), NIH (R01MH1110831 및 U01NS098961 U.R.R.)에 의해 지원되었습니다. 기금 모금자는 연구 설계, 데이터 수집 및 분석, 출판 결정 또는 원고 준비에 아무런 역할을 하지 않았습니다. 제임스 리, 에리카 콴, 시더스-시나이 시뮬레이션 센터 직원들이 데모 비디오 제작에 도움을 주신 것에 대해 감사드립니다.
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 |
Riferimenti
- 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).
