שימוש בניותא פעילות העולה להדק לולאה סגורה גירויים בניסויים נוירולוגיים
Summary
פרוטוקול זה מדגים כיצד להשתמש במערכת אלקטרולוגית לגירוי בלולאה סגורה המופעלת על ידי דפוסי פעילות עצביים. לדוגמה קוד Matlab שניתן לשנות בקלות עבור התקני גירוי שונים מסופק גם.
Abstract
מערכות נוירופיסיולוגיים לולאה משתמשות בדפוסים של פעילות עצבית כדי לעורר גירויים, שבתורו משפיעים על פעילות המוח. מערכות לולאה סגורה שכאלה כבר נמצאות ביישומים קליניים, והן כלים חשובים לחקר מוח בסיסי. התפתחות מעניינת במיוחד לאחרונה היא שילוב של גישות לולאה סגורה עם אלקטרואופטיקה, כגון דפוסים ספציפיים של פעילות עצבית יכולים לעורר גירוי אופטי של קבוצות נוירואליות נבחרות. עם זאת, הגדרת מערכת אלקטרופיזיולוגיה לניסויים בלולאה סגורה יכולה להיות קשה. כאן, מוכן להחיל קוד Matlab מסופק לעורר גירויים בהתבסס על הפעילות של יחיד או מספר נוירונים. קוד לדוגמה זה ניתן לשינוי בקלות על בסיס צרכים בודדים. לדוגמה, הוא מציג כיצד להפעיל גירויים קוליים וכיצד לשנות אותו כדי להפעיל התקן חיצוני המחובר ליציאה טורית של מחשב. הפרוטוקול המוצג נועד לעבוד עם מערכת הקלטה עצבית פופולרית ללימודי בעלי חיים (נוירואליnx). היישום של גירוי לולאה סגורה מוצג בחולדה ערה.
Introduction
המטרה של פרוטוקול זה היא להדגים כיצד ליישם גירוי לולאה סגורה בניסויים נוירולוגיים. ההתקנה אופייני עבור ניסויים לולאה סגורה במדעי המוח כרוך בהפעלת גירויים המבוססים על הבדיקה המקוונת של פעילות עצבית. זה, בתורו, גורם לשינויים בפעילות המוח, ובכך לסגור את לולאה משוב1,2. ניסויים כאלה לולאה סגורה לספק הטבות מרובות על הגדרות לולאה פתוחה רגילה, במיוחד כאשר בשילוב עם אלקטרואופטיקה, אשר מאפשר לחוקרים למקד תת-קבוצה ספציפית של נוירונים. למשל, סיגלה ווילסון השתמשו במניפולציות לולאה מסוגרת כדי ללמוד את התפקיד של תנודות תטה בעיבוד מידע3. הם הפגינו כי מגרה נוירונים היפוקמאל על השלב הנופל של תנודות תטא היו השפעות שונות על התנהגות מאשר החלת גירוי זהה על השלב העולה. ניסויים בלולאה סגורה גם נעשים חשובים יותר ויותר במחקרים פרה-קליניים. למשל, מחקרים מרובים של אפילפסיה הראו כי גירוי עצבי המופעל על התפרצות תפיסה היא גישה יעילה כדי להפחית את חומרת התקפים4,5,6. יתר על כן, מערכות זיהוי התפיסה האוטומטית ואת המסירה הנציגות של טיפול7, 8 הראו הטבות משמעותיות בחולים אפילפסיה9,10,11,12. אזור יישום נוסף עם התקדמות מהירה של מתודולוגיות לולאה סגורה הוא השליטה של נוירותותבות עם המוח הקורטיקלית – מחשב ממשקי. הסיבה לכך היא מתן משוב מיידי למשתמשים של התקנים תותבת משפר באופן משמעותי את הדיוק ואת יכולת13.
בשנים האחרונות, מספר מעבדות פיתחו מערכות מותאמות אישית עבור ההקלטה החשמלית סימולטני של פעילות עצבית ומסירת גירויים במערכת לולאה סגורה14,15,16,17,18. למרות רבים של כיוונונים אלה יש מאפיינים מרשימים, זה לא תמיד קל ליישם אותם במעבדות אחרות. הסיבה לכך היא שהמערכות דורשות לעתים קרובות טכנאים מנוסים להרכיב את האלקטרוניקה הדרושה ורכיבי חומרה ותוכנה אחרים הנחוצים.
לכן, על מנת להקל על אימוץ ניסויים לולאה סגורה במחקר מדעי המוח, נייר זה מספק פרוטוקול ו-Matlab code כדי להמיר הקלטה פתוחה לולאה אלקטרופיסיולוגית19,20,21,22 לתוך מערכת לולאה סגורה2,6,23. פרוטוקול זה נועד לעבוד עם חומרת ההקלטה דיגיטלי Lynx, מערכת מעבדה פופולרית להקלטות האוכלוסייה העצבית. ניסוי אופייני מורכב מהפעולות הבאות: 1) הקלטת 5-20 דקות של נתוני העליה; 2) ספייק מיון כדי ליצור תבניות נוירואליות; 3) שימוש בתבניות אלה כדי לבצע זיהוי מקוון של דפוסי פעילות עצביים; ו-4) מפעיל אירועים מסוימים של גירוי או ניסיוני כאשר תבניות שצוינו על-ידי המשתמש מזוהות.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול המתואר כאן, מראה כיצד להשתמש במערכת הקלטה נוירולוגית סטנדרטית כדי לבצע גירוי בלולאה סגורה. פרוטוקול זה מאפשר למדענים מוגבלים עם מומחיות מוגבלת במדעי המחשב כדי ליישם במהירות מגוון של ניסויים לולאה סגורה עם עלות קטנה. ניסויים אלה נחוצים לעתים קרובות כדי ללמוד אינטראקציות סיבתי ב…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מענקים NSERC דיסקברי אל ו 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 |
References
- Grosenick, L., Marshel, J. H., Deisseroth, K. Closed-loop and activity-guided optogenetic control. Neuron. 86 (1), 106-139 (2015).
- Armstrong, C., Krook-Magnuson, E., Oijala, M., Soltesz, I. Closed-loop optogenetic intervention in mice. Nature Protocols. 8 (8), 1475-1493 (2013).
- Siegle, J. H., Wilson, M. A. Enhancement of encoding and retrieval functions through theta phase-specific manipulation of hippocampus. Elife. 3, 03061 (2014).
- Paz, J. T., et al. Closed-loop optogenetic control of thalamus as a tool for interrupting seizures after cortical injury. Nature neuroscience. 16 (1), 64-70 (2013).
- Krook-Magnuson, E., Armstrong, C., Oijala, M., Soltesz, I. On-demand optogenetic control of spontaneous seizures in temporal lobe epilepsy. Nature Communications. 4, 1376 (2013).
- Berényi, A., Belluscio, M., Mao, D., Buzsáki, G. Closed-loop control of epilepsy by transcranial electrical stimulation. Science. 337 (6095), 735-737 (2012).
- Peters, T. E., Bhavaraju, N. C., Frei, M. G., Osorio, I. Network system for automated seizure detection and contingent delivery of therapy. Journal of Clinical Neurophysiology. 18 (6), 545-549 (2001).
- Fountas, K. N., Smith, J. . Operative Neuromodulation. , 357-362 (2007).
- Heck, C. N., et al. Two-year seizure reduction in adults with medically intractable partial onset epilepsy treated with responsive neurostimulation: final results of the RNS System Pivotal trial. Epilepsia. 55 (3), 432-441 (2014).
- Osorio, I., et al. Automated seizure abatement in humans using electrical stimulation. Annals of Neurology. 57 (2), 258-268 (2005).
- Sun, F. T., Morrell, M. J., Wharen, R. E. Responsive cortical stimulation for the treatment of epilepsy. Neurotherapeutics. 5 (1), 68-74 (2008).
- Fountas, K. N., et al. Implantation of a closed-loop stimulation in the management of medically refractory focal epilepsy. Stereotactic and Functional Neurosurgery. 83 (4), 153-158 (2005).
- Abbott, A. Neuroprosthetics: In search of the sixth sense. Nature. 442, (2006).
- Venkatraman, S., Elkabany, K., Long, J. D., Yao, Y., Carmena, J. M. A system for neural recording and closed-loop intracortical microstimulation in awake rodents. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 56 (1), 15-22 (2009).
- Nguyen, T. K. T., et al. Closed-loop optical neural stimulation based on a 32-channel low-noise recording system with online spike sorting. Journal of Neural Engineering. 11 (4), 046005 (2014).
- Laxpati, N. G., et al. Real-time in vivo optogenetic neuromodulation and multielectrode electrophysiologic recording with NeuroRighter. Frontiers in Neuroengineering. 7, 40 (2014).
- Su, Y., et al. A wireless 32-channel implantable bidirectional brain machine interface. Sensors. 16 (10), 1582 (2016).
- Ciliberti, D., Kloosterman, F. Falcon: a highly flexible open-source software for closed-loop neuroscience. Journal of Neural Engineering. 14 (4), 045004 (2017).
- Luczak, A., Bartho, P., Harris, K. D. Gating of sensory input by spontaneous cortical activity. The Journal of Neuroscience. 33 (4), 1684-1695 (2013).
- Luczak, A., Barthó, P., Harris, K. D. Spontaneous events outline the realm of possible sensory responses in neocortical populations. Neuron. 62 (3), 413-425 (2009).
- Schjetnan, A. G., Luczak, A. Recording Large-scale Neuronal Ensembles with Silicon Probes in the Anesthetized Rat. Journal of Visualized Experiments. (56), (2011).
- Bermudez Contreras, E. J., et al. Formation and reverberation of sequential neural activity patterns evoked by sensory stimulation are enhanced during cortical desynchronization. Neuron. 79 (3), 555-566 (2013).
- Girardeau, G., Benchenane, K., Wiener, S. I., Buzsáki, G., Zugaro, M. B. Selective suppression of hippocampal ripples impairs spatial memory. Nature Neuroscience. 12 (10), 1222-1223 (2009).
- Schjetnan, A. G. P., Luczak, A. Recording large-scale neuronal ensembles with silicon probes in the anesthetized rat. Journal of Visualized Experiments. (56), (2011).
- Vandecasteele, M., et al. Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents. Journal of Visualized Experiments. (61), e3568 (2012).
- Sariev, A., et al. Implantation of Chronic Silicon Probes and Recording of Hippocampal Place Cells in an Enriched Treadmill Apparatus. Journal of Visualized Experiments. (128), e56438 (2017).
- Harris, K. D., Henze, D. A., Csicsvari, J., Hirase, H., Buzsáki, G. Accuracy of tetrode spike separation as determined by simultaneous intracellular and extracellular measurements. Journal of Neurophysiology. 84 (1), 401-414 (2000).
- Jiang, Z., et al. TaiNi: Maximizing research output whilst improving animals’ welfare in neurophysiology experiments. Scientific Reports. 7 (1), 8086 (2017).
- Gao, Z., et al. A cortico-cerebellar loop for motor planning. Nature. 563 (7729), 113 (2018).
- Neumann, A. R., et al. Involvement of fast-spiking cells in ictal sequences during spontaneous seizures in rats with chronic temporal lobe epilepsy. Brain. 140 (9), 2355-2369 (2017).
- Gothard, K. M., Skaggs, W. E., Moore, K. M., McNaughton, B. L. Binding of hippocampal CA1 neural activity to multiple reference frames in a landmark-based navigation task. Journal of Neuroscience. 16 (2), 823-835 (1996).
- McNaughton, B. L. . Google Patents. , (1999).
- Wilber, A. A., et al. Cortical connectivity maps reveal anatomically distinct areas in the parietal cortex of the rat. Frontiers in Neural Circuits. 8, 146 (2015).
- Mashhoori, A., Hashemnia, S., McNaughton, B. L., Euston, D. R., Gruber, A. J. Rat anterior cingulate cortex recalls features of remote reward locations after disfavoured reinforcements. Elife. 7, 29793 (2018).
- Luczak, A., McNaughton, B. L., Harris, K. D. Packet-based communication in the cortex. Nature Reviews Neuroscience. , (2015).
- Luczak, A. . Analysis and Modeling of Coordinated Multi-neuronal Activity. , 163-182 (2015).
