Eine einfache Vorrichtung zur Stimulierende Evoking Punkt-wie taktile Reize: Ein Suchscheinwerfer für LFP Transitions Spike
Summary
Um den komplexen Übergang von lokalen Feldpotentiale (LFP) aufzuklären, um eine geeignete Stimulator für leichte mechanische Reize peripheren Spikes gebaut. Als Anwendung wurden die Spick-Aktivitäten von somatosensorischen Kortex durch eine Mehrzieloptimierungsstrategie analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die vorgeschlagene Stimulator konnte taktile Reize mit Millisekunden und Millimeter Genauigkeiten liefern.
Abstract
Aktuelle neurophysiologischen Forschung hat das Ziel, Methoden zu entwickeln, um das Signal Route von Neuron zu Neuron, und zwar in den Übergängen von Spikes Lokale Feldpotentiale (LFP) und LFPs zu Spikes zu untersuchen.
LFPs haben eine komplexe Abhängigkeit von Spike-Aktivität und ihre Beziehung ist immer noch schlecht verstanden ein. Die Aufklärung dieser Signal Beziehungen wäre hilfreich, sowohl für die klinische Diagnostik (zB Stimulation Paradigmen für Deep Brain Stimulation) und für ein tieferes Verständnis der neuronalen Kodierung Strategien in normalen und pathologischen Bedingungen (zB Epilepsie, Parkinson-Krankheit, chronische Schmerzen). Zu diesem Zweck muss man technische Probleme zu Stimulationsgeräte, die Stimulation Paradigmen und Computeranalysen zu lösen. Daher wurde eine maßgeschneiderte Stimulationsgerät, um auf Reize in Raum und Zeit gut geregelt, die nicht in mechanische Resonanz entstehen nicht liefern entwickelt. Anschließendals ein Beispiel wurde eine Reihe von zuverlässigen LFP-Spike-Beziehungen extrahiert.
Die Leistung der Vorrichtung wurde durch extrazelluläre Aufzeichnungen untersucht, gemeinsam Spikes und LFP-Antworten auf die angelegten Stimuli aus der Ratte primären somatosensorischen Kortex. Dann wird mittels einer Mehrziel-Optimierungsstrategie, ein Vorhersagemodell für Spike Auftretens aufgrund LFP abgeschätzt.
Die Anwendung dieses Paradigma zeigt, dass das Gerät ausreichend geeignet, um Hochfrequenz taktile Stimulation liefern, übertraf gemeinsamen piezoelektrischen Aktoren. Als Beweis für die Wirksamkeit des Geräts wurden folgende Ergebnisse präsentiert: 1) der Zeitpunkt und die Zuverlässigkeit der LFP Antworten gut passen die Spike-Antworten, 2) LFPs sind empfindlich auf die Stimulation Geschichte und erfassen nicht nur die durchschnittliche Antwort sondern auch die trial-to-trial Schwankungen in der Spike-Aktivität und schließlich 3) mit Hilfe der LFP signalisieren, es ist möglich, eine Reihe o schätzenf Vorhersagemodelle, die verschiedene Aspekte der Spike-Aktivität zu erfassen.
Introduction
Im Rahmen der Signalverarbeitung wird die Impulsantwort stellt eine grundlegende Charakterisierung des Verhaltens eines dynamischen Systems.
Obwohl die ideale Impulsreiz praktisch nicht erreichbar ist, ist es möglich, eine vernünftige Annäherung davon durch Verwendung eines Betätigungselementes, das Hochfrequenzverschiebungen erzeugt, erhalten. Diese Art von Licht taktil-Vibrationsstimulation ist bekannt, dass sowohl die tiefe Haut (zB schnelle Reaktion, schnelle Anpassung Pacini-Körperchen) 2 und oberflächlichen Rezeptoren (zB niedrigschwellige langsam an Merkel scheibenförmige Strukturen) 2 Ziel.
Reizstromgeräten, insbesondere piezoelektrische Aktuatoren, mit einer Reihe von Nachteilen, nicht zuletzt Resonanzen und kleine Verschiebungen berechnet. Um diese Mängel zu überwinden, ist eine alternative Implementierung des impulsartige Stimulation mit Hilfe eines stumpfen Spitze (ein Kaktus geglättet Spitze in unserem Fall) vertikal vorgeschlagenauf der Membran Zentrum einer Mid-Range-Lautsprecherkonus montiert. Dies bietet den Vorteil einer größeren Verschiebungen und breiteren Frequenzspektrum.
Eine wirksame Anwendung einer solchen Vorrichtung war die Untersuchung der relevanten neuro Problem der LFP Abhängigkeits Spikes. Wegen der subtilen zeitlichen Zusammenhang zwischen diesen elektrischen Ereignissen ein fein reguliert Gerät wurde für die Bereitstellung von peripheren Reize nötig. Die Reize hatte, so schnell und räumlich selektive wie möglich zu sein, um das "Grundrauschen" zu reduzieren und schärfen die Signale von Interesse. Zu diesem Zweck wurden die Stimulationsvorrichtung und die Reizübermittlungsprotokolls gemeinsam für die Aufgabe optimiert. In diesem Beitrag beschreiben wir die Technik und präsentieren einige repräsentative Ergebnisse.
Ein Stimulationsprotokoll basierend auf randomisierten gepaarten Impulse hat, um die Gewöhnung vermeiden ausgelegt und optimiert. Dieses Protokoll bietet den Vorteil der klassischen Paared Impulse und reduziert die Möglichkeit der Fehlschluss zwischen Reizen und spontane periodische Ausbrüche von neuronaler Aktivität.
Durch die Nutzung dieser randomisierten Doppelpuls war es möglich, schnell und zuverlässig LFP und Spike-Antworten zu erhalten und die Besonderheit dieser Antworten auf die Abhängigkeit der beiden LFPs und Spitzen auf die Stimulation der Geschichte verwandt zu erfassen. In der Tat aus den rohen LFP Reaktionen einen Satz von drei LFP Merkmale (LFP selbst, der LFP ersten Ableitung und der Phase der ersten Ableitung) stark korreliert mit dem mittleren Dorn Reaktion wurde extrahiert.
Wurden einige Methoden vorgeschlagen, um Modelle, die Spitzen von LFPs 3,4 vorhersagen passen. Im Allgemeinen ist ein kritischer Punkt der Modellanpassungsprozesses, auch gemeinsam zur Vorhersage von Spike-Ereignis aus dem Stimulus-Signal wird durch die geeignete Wahl der Zielfunktion zu maximieren / minimieren besteht. Während eine Reihe von Zielfunktionen wurde vorschlagend (zB Korrelation und Kohärenz) 5 keine von diesen gemeinsam erfasst die ganze Komplexität der Spike-Antworten. Dementsprechend wird ein neuer Ansatz auf Basis von Mehrzieloptimierung eingeführt. Wir zeigen, dass durch die vorgeschlagenen erarbeitet und diese Rechen Rahmen ist es möglich, eine Reihe von Vorhersagemodellen basierend auf starken LFP Beziehungen Spike schätzen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Diese Arbeit zunächst präsentierte eine neue, einfache und kostengünstige Gerät ermöglicht, schnell und räumlich punktartige Sinnesreize zu liefern. Dann eine randomisierte Doppelpulsstimulationsprotokoll und einen Satz von Computeranalysen wurden validiert. Das übergeordnete Ziel war es, einen Rahmen für die Schätzung der LFP-Spike-Beziehungen in elektrophysiologischen Ableitungen während taktile Stimulation zu etablieren.
Das Gerät, das Protokoll und die analytischen Ansatz habe…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SN und AGZ wurden von den PON 01-01297 VIRTUALAB Fonds unterstützt.
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
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