Un appareil simple pour Stimulatory Evoquant point comme stimuli tactiles: un projecteur pour LFP à Spike Transitions
Summary
Pour élucider la transition complexe de champs potentiels locaux (LFP) à pointes un stimulateur adapté à des stimuli périphériques mécaniques légères a été construit. Comme application, les activités de dopage enregistrés à partir de cortex somatosensoriel ont été analysés par une stratégie d'optimisation multi-objectif. Les résultats ont démontré que le stimulateur a été proposé en mesure de fournir des stimuli tactiles avec milliseconde et millimétrique précisions.
Abstract
La recherche neurophysiologique actuelle a pour but de développer des méthodes pour étudier la voie de signal entre les neurones, notamment dans les transitions de pointes au champ potentiels locaux (LFP) et de LFPs à pointes.
LFP ont une dépendance complexe sur l'activité de pointe et leur relation est encore mal compris 1. L'élucidation de ces relations de signal serait utile à la fois pour le diagnostic clinique (par exemple, les paradigmes de stimulation pour la stimulation cérébrale profonde) et pour une compréhension plus profonde des stratégies de codage neural dans des conditions normales et pathologiques (par exemple, l'épilepsie, la maladie de Parkinson, la douleur chronique). Dans ce but, il faut résoudre les problèmes techniques liés aux dispositifs de stimulation, les paradigmes de stimulation et des analyses informatiques. Par conséquent, un dispositif de stimulation sur mesure a été développé afin de fournir des stimuli bien réglementés dans l'espace et le temps qui ne subissent pas de résonance mécanique. Par la suite,comme un exemple, un ensemble de relations LFP-pointes fiables a été extrait.
La performance de l'appareil a été étudié par des enregistrements extracellulaires, pointes conjointement et réponses LFP aux stimuli appliqués, de la rat cortex somatosensoriel primaire. Ensuite, au moyen d'une stratégie d'optimisation multi-objectif, un modèle prédictif de survenue transitoire basée sur LFP a été estimé.
L'application de ce modèle montre que le dispositif est adapté de manière adéquate pour fournir une stimulation tactile de haute fréquence, supérieure actionneurs piézo-électriques communs. Comme une preuve de l'efficacité de l'appareil, les résultats suivants ont été présentés: 1) le calendrier et la fiabilité des réponses LFP correspondent bien les réponses à pointes, 2) LFP sont sensibles à l'histoire de la stimulation et de capturer non seulement la réponse moyenne, mais aussi la procès-à-la-montre des fluctuations de l'activité de pointe et, enfin, 3) à l'aide de la LFP signal, il est possible d'estimer une fourchette of modèles de prévision qui capturent les différents aspects de l'activité de pointe.
Introduction
Dans le contexte du traitement de signal de la réponse impulsionnelle fournit une caractérisation fondamentale du comportement d'un système dynamique.
Bien que le stimulus impulsion idéale n'est pratiquement pas réalisable, il est possible d'obtenir une approximation raisonnable de celle-ci à l'aide d'un élément d'actionnement qui génère des déplacements à haute fréquence. Ce type de stimulation tactile vibratoire lumière est connu pour cibler à la fois la peau en profondeur (par exemple, de répondre rapidement, l'adaptation rapide corpuscules de Pacini) 2 et les récepteurs superficiels (par exemple bas-seuil adaptation lente structures discoïdes Merkel) 2.
Dispositifs de stimulation actuels, les actionneurs piézoélectriques, principalement sont facturés avec un certain nombre d'inconvénients, pas moins de résonances et de petits déplacements. Pour remédier à ces défauts, une alternative mise en œuvre de la stimulation par impulsions, est proposé en utilisant une pointe émoussée (une pointe de cactus lissée dans notre cas) à la verticalemonté sur le centre de la membrane d'un haut-parleur conique de milieu de gamme. Ceci offre l'avantage de déplacements plus grands et plus large spectre de fréquences.
Une application efficace d'un tel dispositif était l'étude du problème neurophysiologique pertinente de la LFP à pointes dépendance. En raison de l'association temporelle subtil entre ces événements électriques d'un dispositif finement régulé est nécessaire pour fournir des stimuli périphériques. Les stimuli ont dû être aussi rapide et spatialement sélective que possible afin de réduire le "bruit de fond" et aiguiser les signaux d'intérêt. A cette fin, le dispositif de stimulation et le protocole de livraison de stimulation ont été optimisées conjointement pour la tâche. Dans cet article, nous décrivons la technique et présentons quelques résultats représentatifs.
Un protocole de stimulation sur la base des impulsions appariées randomisés a été conçu et optimisé pour éviter l'accoutumance. Ce protocole offre l'avantage de paire classiqueed impulsions et réduit la possibilité de blocage parasite entre les stimuli et des éclats périodiques spontanées de l'activité neuronale.
En utilisant cette étude randomisée impulsion jumelé il a été possible d'obtenir des réponses de la LFP et pointes rapides et fiables et à capturer la particularité de ces réponses liées à la dépendance des deux LFP et des pointes sur l'histoire de la stimulation. En effet, à partir des réponses premières LFP, un ensemble de trois LFP dispose (la LFP elle-même, la LFP dérivée première et la phase de la première dérivée) fortement en corrélation avec la réponse moyenne de pointe, a également été extrait.
Peu de méthodes ont été proposées pour s'adapter à des modèles qui permettent de prévoir les pics de 3,4 LFP. En général, un point critique du processus d'ajustement de modèle, commune également à la prévision de l'événement de pointe à partir du signal de relance, est constitué par le choix approprié de la fonction objectif à maximiser / minimiser. Alors que toute une gamme de fonctions objectif a été de proposerd (par exemple, la corrélation et la cohérence) 5 aucune de ces capture conjointement toute la complexité des réponses à pointes. Par conséquent, un cadre roman basé sur l'optimisation multi-objectif est en place. Nous montrons que l'utilisation de la proposition élaborée et ce cadre de calcul, il est possible d'estimer un ensemble de modèles de prévision basé sur une forte LFP à pic relations.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ce travail d'abord présenté une nouvelle, simple et à faible coût dispositif permettant de fournir des stimuli sensoriels ponctuelles rapides et dans l'espace. Ensuite, une impulsion appariée protocole de stimulation aléatoire et un ensemble d'analyses informatiques ont été validés. L'objectif général était d'établir un cadre pour l'estimation des relations LFP-pic dans les enregistrements électrophysiologiques pendant la stimulation tactile.
Le disposit…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SN et AGZ ont été pris en charge par les fonds de Virtualab PON 01-01297.
Materials
| Microstepper | AB Transvertex (Stockholm, Sweden) | The microstepper used to pull down the electrode matrix | |
| 32 channels Cheetah System | Neuralynx (MT, USA) | The electrophysiological recording system | |
| L293D h-bridge | RS Components (Cinisello Balsamo, Italy) | The bridge used to connect the microcontroller to the speaker | |
| H21A3 Optical Interrupter Switch | Fairchild Semiconductor Corporation (San Jose, California) | The phototransistor used to estabilish the tip displacement | |
| Arduino Uno | Arduino (Duemilanove, Italy) | The microcontroller used to deliver current pulse to the speaker | |
| Microelectrode Matrices GB1 | FHC | ||
| Isoflurane | Rhodia Organique Fine Ltd. | The anaestetic used to prepare animals | |
| Stereotaxic apparatus | Narishighe (Tokyo, Japan) | ||
| Sprague-Dawley male rats | Charles River (Calco, LC, Italy) | ||
| Gallamine thriethiodide | Sigma-Aldrich | The compound used to curarize the animals | |
| Cresyl violet | Sigma-Aldrich | ||
| Topical antiseptics (Betadine 10%) | Meda Pharma (Milanm Italy) | ||
| Heparine | Sigma-Aldrich | ||
| Formaldehyde | Carlo Erba Reagents (Pomigliano Milanese, Milan, Italy) |
References
- Pesaran, B. Uncovering the Mysterious Origins of Local Field Potentials. Neuron. 61 (1-2), (2009).
- Delmas, P., Hao, J., Rodat-Despoix, L. Molecular Mechanisms of Mechanotrasduction in Mammalian Sensory Neurons. Nat. Rev. Neurosci. 12, 139-153 (2011).
- Rasch, M. J., Gretton, A., Murayama, Y., Maass, W., Logothetis, N. K. Inferring spike trains from local field potentials. J. Neurophys. 99 (3), 1461-1476 (2008).
- Galindo-Leon, E. E., Liu, R. C. Predicting stimulus-locked single unit spiking from cortical local field potentials. J. Comput. Neurosci. 29 (3), 581-597 (2010).
- Theunissen, F. E., David, S. V., Singh, N. C., Hsu, A., Vinje, W. E., Gallant, J. L. Estimating spatio-temporal receptive fields of auditory and visual neurons from their responses to natural stimuli. Network. 12 (3), 289 (2001).
- Victor, J. D., Purpura, K. Metric-space analysis of spike trains: theory, algorithms, and application. Network. 8, 127-164 (1997).
- Foffani, G., Chapin, J. K., Moxon, K. A. Computational Role of Large Receptive Fields in the Primary Somatosensory Cortex. J. Neurophysiol. 100 (1), 268-280 (2008).
- Panzeri, S., Senatore, R., Montemurro, M. A., Petersen, R. S. Correcting for the sampling bias problem in spike train information measures. J. Neurophysiol. 98, 1064-1072 (2007).
- Storchi, R., Zippo, A. G., Caramenti, G. C., Valente, M., Biella, G. E. M. Predicting Spike Occurrence and Neuronal Responsiveness from LFPs in Primary Somatosensory Cortex. PLoS ONE. 7 (5), (2012).
- Quiroga, R. Q., Nadasdy, Z., Ben-Shaul, Y. Unsupervised Spike Detection and Sorting with Wavelets and Superparamagnetic Clustering. Neural Comput. 16, 1661-1687 (2004).
- Deb, K., Agrawal, A., Pratab, A., Meyarivan, T. A fast elitist non-dominated sorting genetic algorithm for multi-objective optimization: NSGA-II IEEE. Trans. Evol. Comput. 6 (2), 181-197 (2000).
