Utilisation de l'activité de spiking de neurone pour déclencher des stimuli à boucle fermée dans les expériences neurophysiologiques
Summary
Ce protocole démontre comment utiliser un système électrophysiologique pour la stimulation en boucle fermée déclenchée par les modèles d’activité neuronale. Un exemple de code Matlab qui peut être facilement modifié pour différents dispositifs de stimulation est également fourni.
Abstract
Les systèmes neurophysiologiques en boucle fermée utilisent des modèles d’activité neuronale pour déclencher des stimuli qui, à leur tour, affectent l’activité cérébrale. Ces systèmes en boucle fermée sont déjà trouvés dans les applications cliniques, et sont des outils importants pour la recherche fondamentale sur le cerveau. Un développement récent particulièrement intéressant est l’intégration des approches en boucle fermée avec l’optogénétique, de sorte que des modèles spécifiques de l’activité neuronale peuvent déclencher la stimulation optique de groupes neuronaux sélectionnés. Cependant, la mise en place d’un système électrophysiologique pour les expériences en boucle fermée peut être difficile. Ici, un code Matlab prêt à appliquer est fourni pour déclencher des stimuli basés sur l’activité de neurones simples ou multiples. Cet exemple de code peut être facilement modifié en fonction des besoins individuels. Par exemple, il montre comment déclencher des stimuli sonores et comment le modifier pour déclencher un périphérique externe connecté à un port de série PC. Le protocole présenté est conçu pour fonctionner avec un système d’enregistrement neuronal populaire pour les études animales (Neuralynx). La mise en œuvre de la stimulation en boucle fermée est démontrée chez un rat éveillé.
Introduction
L’objectif de ce protocole est de démontrer comment mettre en œuvre la stimulation en boucle fermée dans les expériences neurophysiologiques. La configuration typique pour les expériences en boucle fermée en neurosciences consiste à déclencher des stimuli basés sur la lecture en ligne de l’activité neuronale. Cela, à son tour, provoque des modifications dans l’activité cérébrale, fermant ainsi la boucle de rétroaction1,2. De telles expériences en boucle fermée offrent de multiples avantages par rapport aux configurations en boucle ouverte standard, en particulier lorsqu’elles sont combinées avec l’optogénétique, ce qui permet aux chercheurs de cibler un sous-ensemble spécifique de neurones. Par exemple, Siegle et Wilson ont utilisé des manipulations en boucle fermée pour étudier le rôle des oscillations theta dans le traitement de l’information3. Ils ont démontré que la stimulation des neurones hippocampiques sur la phase de chute des oscillations theta avait des effets différents sur le comportement que l’application de la même stimulation sur la phase ascendante. Les expériences en boucle fermée prennent également de plus en plus d’importance dans les études précliniques. Par exemple, de multiples études sur l’épilepsie ont montré que la stimulation neuronale déclenchée dès le commencement de la crise est une approche efficace pour réduire la gravité des crises4,5,6. En outre, les systèmes pour la détection automatisée de saisie et la livraison contingente de la thérapie7,8 ont montré des avantages significatifs dans les patients épileptiques9,10,11,12. Un autre domaine d’application avec l’avancement rapide des méthodologies de boucle fermée est le contrôle des neuroprothèses avec des interfaces corticales cerveau-machine. C’est parce que fournir une rétroaction instantanée aux utilisateurs de prothèses améliore considérablement la précision et la capacité13.
Ces dernières années, plusieurs laboratoires ont développé des systèmes personnalisés pour l’enregistrement électrique simultané de l’activité neuronale et la livraison de stimuli dans un système en boucle fermée14,15,16,17,18. Bien que bon nombre de ces configurations présentent des caractéristiques impressionnantes, il n’est pas toujours facile de les mettre en œuvre dans d’autres laboratoires. C’est parce que les systèmes exigent souvent des techniciens expérimentés pour assembler l’électronique requise et d’autres composants matériels et logiciels nécessaires.
Par conséquent, afin de faciliter l’adoption d’expériences en boucle fermée dans la recherche en neurosciences, cet article fournit un protocole et un code Matlab pour convertir une configuration d’enregistrement électrophysiologique en boucle ouverte19,20,21,22 dans un système en boucle fermée2,6,23. Ce protocole est conçu pour fonctionner avec le matériel d’enregistrement Digital Lynx, un système de laboratoire populaire pour les enregistrements neuronaux de la population. Une expérience typique consiste en ce qui suit : 1) Enregistrement de 5 à 20 minutes de données de pointe; 2) Tri de pointe pour créer des modèles neuronaux ; 3) Utilisation de ces modèles pour effectuer la détection en ligne des modèles d’activité neuronale; 4) Déclencher la stimulation ou des événements expérimentaux lorsque des modèles spécifiés par l’utilisateur sont détectés.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le protocole décrit ici, montre comment utiliser un système d’enregistrement neurophysiologique standard pour effectuer la stimulation en boucle fermée. Ce protocole permet aux neuroscientifiques ayant une expertise limitée en informatique de mettre en œuvre rapidement une variété d’expériences en boucle fermée avec peu de coûts. De telles expériences sont souvent nécessaires pour étudier les interactions causales dans le cerveau.
Après la préparation d’un animal et l’installati…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par des subventions de découverte du CRSN à AL et 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 |
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