En enkel Stimulerande enhet för Framkalla Point-liknande Taktil Stimuli: A Strålkastare för LFP att Spike Transitions
Summary
För att belysa den komplexa övergången från lokala fält Potentials (LFPs) att spikar en lämplig stimulator för lätta mekaniska perifera stimuli byggdes. Som ett program, var den tillsatta verksamhet som registrerats från somatosensoriska cortex analyseras av en flera mål optimering strategi. Resultaten visade att den föreslagna stimulatorn kunde leverera taktila stimuli med millisekund och millimeter preciseringar.
Abstract
Aktuell neurofysiologisk forskning syftar till att utveckla metoder för att undersöka signalvägen från neuron till neuron, nämligen i övergångarna från spikar till lokala fält Potentials (LFPs) och från LFPs att spikar.
LFPs har en komplex beroende av spik aktivitet och deras relation är fortfarande dåligt kända 1. Att klarlägga dessa signal relationer skulle vara till hjälp både för klinisk diagnostik (t.ex. stimulans paradigm för Deep Brain Stimulation) och för en djupare förståelse av neurala kodningsstrategier i normala och patologiska förhållanden (t.ex. epilepsi, Parkinsons sjukdom, kronisk smärta). I detta syfte måste man lösa tekniska frågor som rör stimulering, stimulans paradigm och beräknings analyser. Därför var en skräddarsydd stimulering enhet utvecklats för att leverera stimuli väl reglerade i tid och rum som inte drabbas av mekanisk resonans. Däreftersom en exemplifiering, var en uppsättning av tillförlitliga LFP-spik relationer heras.
Prestandan hos anordningen undersöktes genom extracellulära inspelningar, tillsammans spikar och LFP svar på de tillämpade stimuli, från råtta Primary Somatosensoriska cortex. Sedan, med hjälp av en multi-objektiv optimeringsstrategi, var en prediktiv modell för spik förekomst baseras på LFPs uppskattas.
Tillämpningen av detta paradigm visar att enheten är tillräckligt lämpad för att leverera hög frekvens taktil stimulering, bättre än vanliga piezoelektriska ställdon. Som ett bevis på effektiviteten av enheten, fick följande resultat presenteras: 1) tidpunkten för och tillförlitligheten av LFP svaren väl matcha spik svar, 2) LFPs är känsliga för stimulans historia och fånga inte bara det genomsnittliga svaret utan också prov-till-prov fluktuationer i spik aktivitet, och slutligen 3) med hjälp av LFP signalen är det möjligt att beräkna ett intervall of prediktiva modeller som fångar olika aspekter av spik aktivitet.
Introduction
Inom ramen för signalbehandling pulssvaret ger en grundläggande karakterisering av beteendet hos ett dynamiskt system.
Även om det ideala impuls stimulus är praktiskt taget omöjliga att uppnå, är det möjligt att erhålla en rimlig uppskattning av det med hjälp av ett manöverelement som genererar högfrekventa förskjutningar. Denna typ av ljus taktil-vibrerande stimulering är känd för att rikta både djup hud (t ex snabbt svara, snabbt anpassa Pacinian blodkroppar) 2 och ytliga receptorer (t.ex. låg tröskel långsamt anpassar Merkel discoid strukturer) 2.
Aktuella stimulering, främst piezoelektriska ställdon, debiteras med ett antal nackdelar, inte minst resonanser och små förskjutningar. För att övervinna dessa brister, är en alternativ implementering av impuls-liknande stimulering föreslagit användning av en trubbig spets (en kaktus utjämnad spets i vårt fall) vertikaltmonterad på membranet mitt i en mid-range högtalarkonen. Detta ger fördelen av större förskjutningar och bredare frekvensspektrum.
En effektiv tillämpning av en sådan anordning var studiet av den relevanta neurofysiologisk problemet med LFPs att spikes beroendet. På grund av den subtila tidssamband mellan dessa elektriska händelser en fint reglerad enhet behövdes för att leverera perifera stimuli. De stimuli var tvungna att vara så snabb och spatialt selektiva som möjligt för att minska "bakgrundsbrus" och vässa signalerna av intresse. För detta ändamål har stimuleringen enheten och den stimulans leveransprotokollet gemensamt optimerad för uppgiften. I detta dokument beskriver vi tekniken och presentera några representativa resultat.
En stimuleringsprotokoll baserat på randomiserade parade-pulser har konstruerats och optimerats för att undvika tillvänjning. Detta protokoll erbjuds fördelen av klassisk pared pulser och minskat risken för falsk låsning mellan stimuli och spontana periodiska utbrott av nervaktivitet.
Genom att använda denna randomiserade parade puls det var möjligt att få snabba och pålitliga LFP och spik svaren och att fånga den speciella med dessa svar i samband med beroendet av både LFPs och spikar på stimulans historia. I själva verket från rå LFP svar en uppsättning av tre LFP rekommendationer (LFP själv, LFP första derivatan och fasen hos den första derivatan) starkt korrelerar med den genomsnittliga spike gensvar, var också extraheras.
Några metoder har föreslagits för att passa modeller som förutsäger spikar från LFPs 3,4. I allmänhet en kritisk punkt i modellen anpassningsprocessen, vanligt också till förutsägelsen av spik händelse från stimulussignal, utgörs av ett lämpligt val av målfunktionen att maximera / minimera. Även en rad objektiva funktioner har varit att föreslåd (t.ex. korrelation och samstämmighet) 5 ingen av dessa fångar tillsammans hela komplexitet spik svar. Följaktligen är en ny ram baserad på flera mål optimering infördes. Vi visar att med hjälp av den föreslagna utformas och detta beräknings ram är det möjligt att uppskatta en uppsättning av prediktiva modeller som bygger på starka LFP att spika relationer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta arbete först presenterade en ny, enkel och billig anordning som gör det möjligt att leverera snabba och rumsligt punktliknande sensoriska stimuli. Då en randomiserad parade puls stimulering protokoll och en uppsättning beräknings analyser validerades. Det övergripande syftet var att skapa en ram för uppskattning av LFP-spik relationer i elektrofysiologiska inspelningar under taktil stimulering.
Enheten, protokollet och den analytiska tillvägagångssätt har gemensamt bidragit …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SN och AGZ stöddes av PON 01-01297 VIRTUALAB fonder.
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).
