Samtidig öga spårande och enkel-neuron inspelningen i mänsklig epilepsi patienten
Summary
Vi beskriver en metod för att genomföra Single-neuron inspelningar med samtidig ögonspårning hos människor. Vi visar nyttan av denna metod och illustrera hur vi använt denna metod för att få nervceller i den mänskliga mediala tinningloben som kodar mål för en visuell sökning.
Abstract
Intrakraniell inspelningar från patienter med svårbehandlade epilepsi ger en unik möjlighet att studera aktiviteten hos enskilda mänskliga nervceller under aktivt beteende. Ett viktigt verktyg för att kvantifiera beteendet är ögonspårning, vilket är ett oumbärligt verktyg för att studera visuell uppmärksamhet. Ögonspårning är dock utmanande att använda samtidigt med invasiv elektrofysiologi och detta tillvägagångssätt har därför föga använts. Här presenterar vi ett bevisat experimentellt protokoll för att genomföra Single-neuron inspelningar med samtidig ögonspårning hos människor. Vi beskriver hur systemen är anslutna och de optimala inställningarna för att spela in nervceller och ögonrörelser. För att illustrera nyttan med den här metoden sammanfattar vi resultat som möjliggjordes av den här installationen. Dessa data visar hur du använder ögonspårning i en minnesstyrd visuell sökning uppgift tillät oss att beskriva en ny klass av nervceller som kallas mål nervceller, vars svar var reflekterande uppifrån och ner uppmärksamhet till den aktuella Sök mål. Slutligen diskuterar vi betydelsen och lösningarna på potentiella problem med denna inställning. Tillsammans, vårt protokoll och resultat tyder på att Single-neuron inspelningar med samtidig ögonspårning hos människor är en effektiv metod för att studera människans hjärnfunktion. Det ger en nyckel felande länken mellan djurens neurofysiologi och mänsklig kognitiv neurovetenskap.
Introduction
Mänskliga Single-neuron inspelningar är ett unikt och kraftfullt verktyg för att utforska funktionen av den mänskliga hjärnan med extraordinära rumsliga och temporala resolution1. Nyligen, Single-neuron inspelningar har vunnit bred användning inom kognitiv neurovetenskap eftersom de tillåter direkt utredning av kognitiva processer centrala för människans kognition. Dessa inspelningar möjliggörs av det kliniska behovet av att bestämma placeringen av epileptiska Foci, för vilka djup elektroder tillfälligt implanteras i hjärnan hos patienter med misstänkt fokal epilepsi. Med denna inställning, Single-neuron inspelningar kan erhållas med hjälp av microwires sticker ut från spetsen av hybrid djup elektrod (en detaljerad beskrivning av den kirurgiska metoden som deltar i införandet av hybrid djup elektroder finns i föregående protokoll2). Bland annat har denna metod använts för att studera människans minne3,4, Emotion5,6, och uppmärksamhet7,8.
Ögonspårning mäter blick position och ögonrörelser (fixeringar och saccades) under kognitiva uppgifter. Video-baserade Eye trackers använder vanligtvis hornhinnan reflektion och mitten av eleven som funktioner för att spåra över tid9. Ögonspårning är en viktig metod för att studera visuell uppmärksamhet eftersom blicken plats indikerar fokus för uppmärksamheten under de flesta naturliga beteenden10,11,12. Ögonspårning har använts i stor utsträckning för att studera visuell uppmärksamhet hos friska individer13 och neurologiska populationer14,15,16.
Medan både Single-neuron inspelningar och ögonspårning används individuellt i stor utsträckning hos människor, få studier har använt båda samtidigt. Som ett resultat, är det fortfarande till stor del okänt hur nervceller i den mänskliga hjärnan reagerar på ögonrörelser och/eller om de är känsliga för den för närvarande fixerade stimulans. Detta är i motsats till studier med makaker, där ögonspårning med samtidiga Single-neuron inspelningar har blivit ett standardverktyg. För att direkt undersöka neuronala svar på ögonrörelser, kombinerade vi mänskliga Single-neuron inspelningar och öga spårning. Här beskriver vi protokollet för att genomföra sådana experiment och illustrerar sedan resultaten genom ett konkret exempel.
Trots den etablerade roll som Human medial temporallob (MTL) i både objekt representation17,18 och minne3,19, är det fortfarande till stor del okänt om mtl neuroner moduleras som en funktion av uppifrån och ned uppmärksamhet till behaviorally relevanta mål. Att studera sådana nervceller är viktigt att börja förstå hur relevant information påverkar bottom-up visuella processer. Här visar vi nyttan av ögonspårning medan du spelar in nervceller med guidad visuell sökning, ett välkänt paradigm för att studera målinriktat beteende20,21,22,23, 24 , 25. med denna metod, vi beskrev nyligen en klass av nervceller som kallas mål neuroner, som signalerar om den närvarande deltog stimulus är målet för en pågående sökning8. I nedanstående presenterar vi det studieprotokoll som behövs för att återge denna tidigare vetenskapliga studie. Observera att i det här exemplet kan protokollet enkelt justeras för att studera en godtycklig visuell uppmärksamhet uppgift.
Protocol
Representative Results
Discussion
I detta protokoll, vi beskrev hur man anställer Single-neuron inspelningar med samtidiga öga spårning och beskrev hur vi använt denna metod för att identifiera mål nervceller i den mänskliga MTL.
Installationen omfattar tre datorer: en köra uppgiften (stimulus Computer), en som kör Eye Tracker, och en som kör förvärvs systemet. För att synkronisera mellan de tre systemen används parallellporten för att skicka TTL-utlösare från stimulans datorn till elektrofysiologin (<strong c…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar alla patienter för deras medverkan. Denna forskning stöddes av Rockefeller neurovetenskap Institute, autism Science Foundation och Dana Foundation (to S.V.), en NSF karriär Award (1554105 till U.R.), och NIH (R01MH110831 och U01NS098961 till U.R.). Finansiärer hade ingen roll i studiens utformning, datainsamling och analys, beslut om att publicera eller förberedelse av manuskriptet. Vi tackar James Lee, Erika Quan och Personalen på Cedars-Sinai Simulation Center för deras hjälp med att producera demonstrationsvideon.
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).
