Samtidig Øjensporing og single-neuron optagelser hos patienter med humant epilepsi
Summary
Vi beskriver en metode til at udføre single-neuron optagelser med samtidig øjensporing hos mennesker. Vi demonstrere nytten af denne metode og illustrere, hvordan vi brugte denne tilgang til at opnå neuroner i den menneskelige mediale Temporal lobe at indkode mål for en visuel søgning.
Abstract
Intrakranielle optagelser fra patienter med vanskelige epilepsi giver en unik mulighed for at studere aktiviteten af individuelle menneskelige neuroner under aktiv adfærd. Et vigtigt redskab til at kvantificere adfærd er Eye tracking, som er et uundværligt værktøj til at studere visuel opmærksomhed. Men, Eye tracking er udfordrende at bruge samtidig med invasiv Elektrofysiologi og denne fremgangsmåde har derfor været lidt brugt. Her præsenterer vi en dokumenteret eksperimentel protokol til at udføre single-neuron optagelser med samtidig øjensporing hos mennesker. Vi beskriver, hvordan systemerne er forbundet, og de optimale indstillinger til at registrere neuroner og øjenbevægelser. For at illustrere nytten af denne metode opsummerer vi resultater, der blev muliggjort af denne opsætning. Disse data viser, hvordan brug af Eye tracking i en Memory-guidet visuel søgning opgave tillod os at beskrive en ny klasse af neuroner kaldet Target neuroner, hvis respons var reflekterende af top-down opmærksomhed på den aktuelle søge målet. Endelig diskuterer vi betydningen og løsningerne på de potentielle problemer i forbindelse med dette setup. Sammen, vores protokol og resultater tyder på, at single-neuron optagelser med samtidig øjensporing i mennesker er en effektiv metode til at studere menneskelige hjernefunktion. Det giver en nøgle manglende forbindelse mellem dyrs Neuro fysiologi og menneskelig kognitiv neurovidenskab.
Introduction
Human single-neuron optagelser er et unikt og kraftfuldt værktøj til at udforske funktionen af den menneskelige hjerne med ekstraordinær rumlig og tidsmæssig opløsning1. For nylig, single-neuron optagelser har vundet bred brug inden for kognitiv neurovidenskab, fordi de tillader direkte undersøgelse af kognitive processer centrale for menneskelig kognition. Disse optagelser er muliggjort af det kliniske behov for at bestemme positionen af epileptiske Foci, for hvilke dybde elektroder midlertidigt implanteres i hjernen hos patienter med mistænkt fokal epilepsi. Med denne opsætning kan single-neuron-optagelser opnås ved hjælp af mikroledninger, der stikker ud fra spidsen af hybrid dybde elektroden (en detaljeret beskrivelse af den kirurgiske metode, som er involveret i indsættelse af hybrid dybde elektroderne, findes i den foregående protokol2). Blandt andre, denne metode er blevet brugt til at studere menneskelighukommelse 3,4, Emotion5,6, og opmærksomhed7,8.
Eye tracking foranstaltninger blik position og øjenbevægelser (fikseringer og saccades) under kognitive opgaver. Video baserede øjen trackers bruger typisk cornea-refleksionen og elev midten som funktioner til at spore over tid9. Eye tracking er en vigtig metode til at studere visuel opmærksomhed, fordi gaze placering indikerer fokus for opmærksomhed under de fleste naturlige adfærd10,11,12. Eye tracking har været anvendt i udstrakt grad at studere visuel opmærksomhed i raske personer13 og neurologiske populationer14,15,16.
Mens både single-neuron optagelser og Eye tracking er individuelt anvendt i udstrakt grad i mennesker, få undersøgelser har brugt begge samtidigt. Som følge heraf er det stadig stort set ukendt, hvordan neuroner i den menneskelige hjerne reagerer på øjenbevægelser og/eller om de er følsomme over for den nuværende fikseret stimulus. Dette er i modsætning til undersøgelser med macaques, hvor Eye-tracking med samtidige single-neuron optagelser er blevet et standard værktøj. For direkte at undersøge neuronal respons på øjenbevægelser, kombinerede vi menneskelige single-neuron optagelser og øjensporing. Her beskriver vi protokollen til at gennemføre sådanne eksperimenter og derefter illustrere resultaterne gennem et konkret eksempel.
På trods af den etablerede rolle af human mediale Temporal lobe (MTL) i både objekt repræsentation17,18 og hukommelse3,19, er det stadig stort set ukendt, om MTL neuroner er moduleret som en funktion af top-down opmærksomhed på adfærd relevante mål. At studere sådanne neuroner er vigtigt at begynde at forstå, hvordan målrelevante oplysninger påvirker bottom-up visuelle processer. Her demonstrerer vi nytten af øjensporing, mens du optager neuroner ved hjælp af guidet visuel søgning, et velkendt paradigme til at studere målstyret adfærd20,21,22,23, 24 , 25. ved hjælp af denne metode, vi for nylig beskrevet en klasse af neuroner kaldet Target neuroner, som signalerer, om den aktuelt deltog stimulus er målet for en igangværende søgning8. I det følgende præsenterer vi den studie protokol, der er nødvendig for at reproducere denne tidligere videnskabelige undersøgelse. Bemærk, at i dette eksempel kan protokollen nemt justeres for at studere en vilkårlig visuel opmærksomheds opgave.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne protokol, vi beskrev, hvordan man ansætte single-neuron optagelser med samtidig øjensporing og beskrev, hvordan vi brugte denne metode til at identificere Target neuroner i den menneskelige MTL.
Opsætningen involverer tre computere: en udførelse af opgaven (stimulus computer), en kører Eye tracker, og en kører anskaffelses systemet. For at synkronisere mellem de tre systemer bruges parallel porten til at sende TTL-udløsere fra stimulus-computeren til Elektrofysiologi systemet (<…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker alle patienter for deres deltagelse. Denne forskning blev støttet af Rockefeller Neuro Science Institute, autisme Science Foundation og Dana Foundation (til S.W.), en NSF CAREER Award (1554105 til U.R.), og NIH (R01MH110831 og U01NS098961 til U.R.). De finansieringskilder havde ingen rolle i studiet design, dataindsamling og analyse, beslutning om at offentliggøre, eller forberedelse af manuskriptet. Vi takker James Lee, Erika Quan, og personalet i Cedars-Sinai simulation Center for deres hjælp til at producere demonstrationen video.
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 |
References
- 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).
