استخدام العصبية النشاط Spiking لتحريك المحفزات حلقه مغلقه في التجارب الفسيولوجية العصبية
Summary
يوضح هذا البروتوكول كيفيه استخدام نظام إلكتروفيزيولوجي لتحفيز الحلقة المغلقة التي تسببها أنماط نشاط الخلايا العصبية. كما يتم توفير نموذج التعليمات البرمجية Matlab التي يمكن تعديلها بسهوله لأجهزه التحفيز المختلفة.
Abstract
نظم العصبية حلقه مغلقه استخدام أنماط النشاط العصبية لتحفيز المحفزات ، والتي بدورها تؤثر علي نشاط الدماغ. وهذه النظم المغلقة موجودة بالفعل في التطبيقات السريرية ، وهي أدوات هامه للبحوث الاساسيه في المخ. ومن التطورات الحديثة المثيرة للاهتمام بشكل خاص دمج نهج الحلقات المغلقة مع optogenetics ، بحيث يمكن للأنماط المحددة للنشاط العصبي ان تؤدي إلى تحفيز بصري لمجموعات عصبيه مختاره. ومع ذلك ، قد يكون من الصعب إنشاء نظام إلكتروفيزيولوجي لتجارب الحلقات المغلقة. هنا ، يتم توفير رمز Matlab جاهزه للتطبيق لأثاره المحفزات علي أساس نشاط واحد أو الخلايا العصبية المتعددة. يمكن تعديل نموذج التعليمه البرمجية هذا بسهوله استنادا إلى الاحتياجات الفردية. علي سبيل المثال ، فانه يظهر كيفيه تشغيل محفزات الصوت وكيفيه تغييره لتشغيل جهاز خارجي متصل بمنفذ تسلسلي للكمبيوتر. تم تصميم البروتوكول المعروض للعمل مع نظام تسجيل الخلايا العصبية شعبيه للدراسات الحيوانية (نيوالينيكس). ويتجلى تنفيذ التحفيز حلقه مغلقه في الفئران مستيقظا.
Introduction
والهدف من هذا البروتوكول هو شرح كيفيه تنفيذ التحفيز حلقه مغلقه في التجارب الفسيولوجية العصبية. الاعداد النموذجي للتجارب حلقه مغلقه في علوم الأعصاب ينطوي علي أثاره المحفزات استنادا إلى قراءات علي الإنترنت من نشاط الخلايا العصبية. هذا ، بدوره ، يسبب التعديلات في نشاط الدماغ ، التالي إغلاق حلقه التغذية المرتدة1،2. هذه التجارب حلقه مغلقه توفر فوائد متعددة علي الاجهزه القياسية حلقه مفتوحة ، وخاصه عندما يقترن optogenetics ، الذي يسمح للباحثين لاستهداف مجموعه فرعيه معينه من الخلايا العصبية. علي سبيل المثال ، استخدم سيج وويلسون التلاعبات حلقه مغلقه لدراسة دور التذبذبات ثيتا في معالجه المعلومات3. اظهروا ان تحفيز الخلايا العصبية هيبوكامبال علي المرحلة المتساقطة من التذبذب ثيتا له تاثيرات مختلفه علي السلوك من تطبيق نفس التحفيز علي المرحلة الصاعدة. كما أصبحت التجارب المغلقة ذات اهميه متزايدة في الدراسات قبل السريرية. علي سبيل المثال, وقد أظهرت دراسات الصرع متعددة ان تحفيز الخلايا العصبية الناجمة عن بداية المضبوطات هو نهج فعال للحد من شده المضبوطات4,5,6. وعلاوة علي ذلك ، أظهرت نظم الكشف الألى عن المضبوطات وتسليم الوحدة للعلاج7،8 فوائد كبيره في مرضي الصرع9،10،11،12. مجال تطبيق آخر مع التقدم السريع من منهجيات حلقه مغلقه هو السيطرة علي الأطراف العصبية مع الدماغ القشرية-واجات الجهاز. وذلك لان توفير التغذية المرتدة لحظيه لمستخدمي الاجهزه التعويضية يحسن بشكل كبير من الدقة والقدرة13.
في السنوات الاخيره ، وقد وضعت عده مختبرات نظم مخصصه للتسجيل الكهربائي في وقت واحد من نشاط الخلايا العصبية وتسليم المحفزات في نظام مغلق حلقه14،15،16،17،18. علي الرغم من ان العديد من هذه الاجهزه لها خصائص مثيره للإعجاب ، فانه ليس من السهل دائما لتنفيذها في مختبرات أخرى. وذلك لان الانظمه غالبا ما تطلب من الفنيين ذوي الخبرة لتجميع الكترونيات المطلوبة وغيرها من مكونات الاجهزه والبرمجيات الضرورية.
ولذلك ، من أجل تسهيل اعتماد التجارب حلقه مغلقه في بحوث علوم الأعصاب ، وتوفر هذه الورقة بروتوكول ورمز matlab لتحويل حلقه مفتوحة الكهربائية تسجيل الاعداد19،20،21،22 في حلقه مغلقه نظام2،6،23. تم تصميم هذا البروتوكول للعمل مع الاجهزه الرقمية لينكس تسجيل ، وهو نظام مختبر شعبيه لتسجيلات السكان العصبية. وتتالف التجربة النموذجية مما يلي: 1) تسجيل 5-20 دقيقه من البيانات الشائكة; 2) الفرز سبايك لإنشاء قوالب الخلايا العصبية ؛ 3) استخدام هذه القوالب لأداء الكشف عن أنماط النشاط العصبي علي الإنترنت ؛ و 4) تحريك التحفيز أو الاحداث التجريبية عندما يتم الكشف عن الأنماط المحددة من قبل المستخدم.
Protocol
Representative Results
Discussion
البروتوكول الموصوف هنا ، يوضح كيفيه استخدام نظام تسجيل نيوروفيسيولوجي قياسي لاجراء تنشيط الحلقة المغلقة. هذا البروتوكول يسمح أعصاب مع خبره محدوده في علوم الكمبيوتر لتنفيذ سريع مجموعه متنوعة من التجارب حلقه مغلقه مع القليل من التكلفة. وغالبا ما تكون هذه التجارب ضرورية لدراسة التفاعلات ا?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل NSERC المنح ديسكفري لل و AG.
Materials
| Baytril | Bayer, Mississauga, CA | DIN 02169428 | antibiotic; 50 mg/mL |
| Cheetah 6.4 | NeuraLynx, Tucson, AZ | 6.4.0.beta | Software interfaces for data acquisition |
| Digital Lynx 4SX | NeuraLynx, Tucson, AZ | 4SX | recording equipment |
| Headstage transmitter | TBSI | B10-3163-GK | transmits the neural signal to the receiver |
| Isoflurane | Fresenius Kabi, Toronto, CA | DIN 02237518 | inhalation anesthetic |
| Jet Denture Powder & Liqud | Lang Dental, Wheeling, US | 1230 | dental acrylic |
| Lacri-Lube | Allergan, Markham, CA | DIN 00210889 | eye ointment |
| Lido-2 | Rafter 8, Calgary | DIN 00654639 | local anesthetic; 20 mg/mL |
| Matlab | Mathworks | R2018b | software for signal processing and triggering external events |
| Metacam | Boehringer, Ingelheim, DE | DIN 02240463 | analgesic; 5 mg/mL |
| Netcom | NeuraLynx | v1 | Application Programming Interface (API) that communicates with Cheetah |
| Silicone probe | Cambridge Neurotech | ASSY-156-DBC2 | implanted device |
| SpikeSort 3D | NeuraLynx, Tucson, AZ | SS3D | spike waveform-to-cell classification tools |
| Wireless Radio Receiver | TBSI | 911-1062-00 | transmits the neural signal to the Digital Lynx |
References
- Grosenick, L., Marshel, J. H., Deisseroth, K. Closed-loop and activity-guided optogenetic control. Neuron. 86 (1), 106-139 (2015).
- Armstrong, C., Krook-Magnuson, E., Oijala, M., Soltesz, I. Closed-loop optogenetic intervention in mice. Nature Protocols. 8 (8), 1475-1493 (2013).
- Siegle, J. H., Wilson, M. A. Enhancement of encoding and retrieval functions through theta phase-specific manipulation of hippocampus. Elife. 3, 03061 (2014).
- Paz, J. T., et al. Closed-loop optogenetic control of thalamus as a tool for interrupting seizures after cortical injury. Nature neuroscience. 16 (1), 64-70 (2013).
- Krook-Magnuson, E., Armstrong, C., Oijala, M., Soltesz, I. On-demand optogenetic control of spontaneous seizures in temporal lobe epilepsy. Nature Communications. 4, 1376 (2013).
- Berényi, A., Belluscio, M., Mao, D., Buzsáki, G. Closed-loop control of epilepsy by transcranial electrical stimulation. Science. 337 (6095), 735-737 (2012).
- Peters, T. E., Bhavaraju, N. C., Frei, M. G., Osorio, I. Network system for automated seizure detection and contingent delivery of therapy. Journal of Clinical Neurophysiology. 18 (6), 545-549 (2001).
- Fountas, K. N., Smith, J. . Operative Neuromodulation. , 357-362 (2007).
- Heck, C. N., et al. Two-year seizure reduction in adults with medically intractable partial onset epilepsy treated with responsive neurostimulation: final results of the RNS System Pivotal trial. Epilepsia. 55 (3), 432-441 (2014).
- Osorio, I., et al. Automated seizure abatement in humans using electrical stimulation. Annals of Neurology. 57 (2), 258-268 (2005).
- Sun, F. T., Morrell, M. J., Wharen, R. E. Responsive cortical stimulation for the treatment of epilepsy. Neurotherapeutics. 5 (1), 68-74 (2008).
- Fountas, K. N., et al. Implantation of a closed-loop stimulation in the management of medically refractory focal epilepsy. Stereotactic and Functional Neurosurgery. 83 (4), 153-158 (2005).
- Abbott, A. Neuroprosthetics: In search of the sixth sense. Nature. 442, (2006).
- Venkatraman, S., Elkabany, K., Long, J. D., Yao, Y., Carmena, J. M. A system for neural recording and closed-loop intracortical microstimulation in awake rodents. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 56 (1), 15-22 (2009).
- Nguyen, T. K. T., et al. Closed-loop optical neural stimulation based on a 32-channel low-noise recording system with online spike sorting. Journal of Neural Engineering. 11 (4), 046005 (2014).
- Laxpati, N. G., et al. Real-time in vivo optogenetic neuromodulation and multielectrode electrophysiologic recording with NeuroRighter. Frontiers in Neuroengineering. 7, 40 (2014).
- Su, Y., et al. A wireless 32-channel implantable bidirectional brain machine interface. Sensors. 16 (10), 1582 (2016).
- Ciliberti, D., Kloosterman, F. Falcon: a highly flexible open-source software for closed-loop neuroscience. Journal of Neural Engineering. 14 (4), 045004 (2017).
- Luczak, A., Bartho, P., Harris, K. D. Gating of sensory input by spontaneous cortical activity. The Journal of Neuroscience. 33 (4), 1684-1695 (2013).
- Luczak, A., Barthó, P., Harris, K. D. Spontaneous events outline the realm of possible sensory responses in neocortical populations. Neuron. 62 (3), 413-425 (2009).
- Schjetnan, A. G., Luczak, A. Recording Large-scale Neuronal Ensembles with Silicon Probes in the Anesthetized Rat. Journal of Visualized Experiments. (56), (2011).
- Bermudez Contreras, E. J., et al. Formation and reverberation of sequential neural activity patterns evoked by sensory stimulation are enhanced during cortical desynchronization. Neuron. 79 (3), 555-566 (2013).
- Girardeau, G., Benchenane, K., Wiener, S. I., Buzsáki, G., Zugaro, M. B. Selective suppression of hippocampal ripples impairs spatial memory. Nature Neuroscience. 12 (10), 1222-1223 (2009).
- Schjetnan, A. G. P., Luczak, A. Recording large-scale neuronal ensembles with silicon probes in the anesthetized rat. Journal of Visualized Experiments. (56), (2011).
- Vandecasteele, M., et al. Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents. Journal of Visualized Experiments. (61), e3568 (2012).
- Sariev, A., et al. Implantation of Chronic Silicon Probes and Recording of Hippocampal Place Cells in an Enriched Treadmill Apparatus. Journal of Visualized Experiments. (128), e56438 (2017).
- Harris, K. D., Henze, D. A., Csicsvari, J., Hirase, H., Buzsáki, G. Accuracy of tetrode spike separation as determined by simultaneous intracellular and extracellular measurements. Journal of Neurophysiology. 84 (1), 401-414 (2000).
- Jiang, Z., et al. TaiNi: Maximizing research output whilst improving animals’ welfare in neurophysiology experiments. Scientific Reports. 7 (1), 8086 (2017).
- Gao, Z., et al. A cortico-cerebellar loop for motor planning. Nature. 563 (7729), 113 (2018).
- Neumann, A. R., et al. Involvement of fast-spiking cells in ictal sequences during spontaneous seizures in rats with chronic temporal lobe epilepsy. Brain. 140 (9), 2355-2369 (2017).
- Gothard, K. M., Skaggs, W. E., Moore, K. M., McNaughton, B. L. Binding of hippocampal CA1 neural activity to multiple reference frames in a landmark-based navigation task. Journal of Neuroscience. 16 (2), 823-835 (1996).
- McNaughton, B. L. . Google Patents. , (1999).
- Wilber, A. A., et al. Cortical connectivity maps reveal anatomically distinct areas in the parietal cortex of the rat. Frontiers in Neural Circuits. 8, 146 (2015).
- Mashhoori, A., Hashemnia, S., McNaughton, B. L., Euston, D. R., Gruber, A. J. Rat anterior cingulate cortex recalls features of remote reward locations after disfavoured reinforcements. Elife. 7, 29793 (2018).
- Luczak, A., McNaughton, B. L., Harris, K. D. Packet-based communication in the cortex. Nature Reviews Neuroscience. , (2015).
- Luczak, A. . Analysis and Modeling of Coordinated Multi-neuronal Activity. , 163-182 (2015).
