Bruke Nevron skyter aktivitet å utløse lukket loop stimuli i nevrofysiologiske eksperimenter
Summary
Denne protokollen demonstrerer hvordan du bruker en elektrofysiologisk system for lukket-loop stimulering utløst av neuronal aktivitet mønstre. Eksempel MATLAB kode som lett kan endres for ulike stimulering enheter er også gitt.
Abstract
Lukket-loop nevrofysiologiske systemer bruker mønstre av neuronal aktivitet for å utløse stimuli, som igjen påvirker hjernens aktivitet. Slike lukket-loop systemer er allerede funnet i kliniske applikasjoner, og er viktige verktøy for grunnleggende hjernen forskning. En spesielt interessant ny utvikling er integreringen av lukkede sløyfe tilnærminger med optogenetics, slik at spesifikke mønstre av neuronal aktivitet kan utløse optisk stimulering av utvalgte neuronal grupper. Det kan imidlertid være vanskelig å sette opp et elektrofysiologisk system for eksperimenter med lukket sløyfe. Her er en klar til bruk MATLAB koden er gitt for utløser stimuli basert på aktiviteten til én eller flere neurons. Denne eksempelkoden kan enkelt endres basert på individuelle behov. For eksempel, den viser hvor å avtrekker lyd stimuli og hvor å endre den å avtrekker en ekstern apparat koplet å en PC føljetong havn. Det forevist protokollen er beregnet på operere med en populær neuronal innspillingen system for dyr studier (Neuralynx). Gjennomføringen av lukket-loop stimulering er demonstrert i en våken rotte.
Introduction
Målet med denne protokollen er å demonstrere hvordan å implementere lukket sløyfe stimulering i nevrofysiologiske eksperimenter. Den typiske oppsett for lukket-loop eksperimenter i nevrovitenskap innebærer utløser stimuli basert på online avlesning av neuronal aktivitet. Dette i sin tur fører til modifikasjoner i hjernens aktivitet, og dermed lukke feedback loop1,2. Slike lukkede eksperimenter gir flere fordeler i forhold til standard oppsett med åpen sløyfe, spesielt kombinert med optogenetics, som gjør det mulig for forskere å målrette mot et bestemt delsett av neurons. For eksempel brukte Siegle og Wilson lukkede-loop manipulasjoner for å studere den rollen som theta svingninger i informasjonsbehandling3. De demonstrerte at stimulerende hippocampus neurons på den fallende fasen av theta svingninger hadde forskjellige virkninger på atferd enn å anvende samme stimulering på den stigende fasen. Eksperimenter med lukket sløyfe blir også stadig viktigere i prekliniske studier. For eksempel har flere epilepsi studier vist at neuronal stimulering utløst ved anfall utbruddet er en effektiv tilnærming for å redusere alvorlighetsgraden av beslag4,5,6. Videre viste systemer for automatisert anfall og kontingenten levering av terapi7,8 betydelige fordeler hos epilepsi pasienter9,10,11,12. Et annet program område med rask utvikling av lukkede-loop metoder er kontroll av neuroprosthetics med kortikale hjernen-maskin grensesnitt. Dette er fordi gir umiddelbar tilbakemelding til brukere av protese enheter betydelig forbedrer nøyaktigheten og evnen13.
I de senere årene har flere laboratorier utviklet tilpassede systemer for samtidige elektriske opptak av neuronal aktivitet og levering av stimuli i en lukket-loop system14,15,16,17,18. Selv om mange av disse oppsettene har imponerende egenskaper, er det ikke alltid lett å implementere dem i andre laboratorier. Dette er fordi systemene ofte krever erfarne teknikere for å montere de nødvendige elektronikk og andre nødvendige maskinvare-og programvarekomponenter.
Derfor, for å lette innføringen av lukket-loop eksperimenter i nevrovitenskap forskning, gir dette papiret en protokoll og MATLAB kode for å konvertere en åpen loop elektrofysiologisk innspillingen Setup19,20,21,22 i en lukket-loop system2,6,23. Denne protokollen er utformet for å fungere med digital Lynx innspillingen maskinvare, et populært laboratorium system for neuronal befolkning innspillinger. Et typisk eksperiment består av følgende: 1) innspilling 5-20 minutter med skyter data; 2) Spike sortering for å lage neuronal maler; 3) bruke disse malene til å utføre online deteksjon av nevrale aktivitet mønstre; og 4) utløse stimulering eller eksperimentelle hendelser når brukerdefinerte mønstre oppdages.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokollen som er beskrevet her, viser hvordan du bruker et standard nevrofysiologiske opptakssystem for å utføre lukket sløyfe stimulering. Denne protokollen tillater nevrologer med begrenset ekspertise i informatikk til raskt å implementere en rekke lukkede eksperimenter med liten kostnad. Slike eksperimenter er ofte nødvendig for å studere årsakssammenheng i hjernen.
Etter å forberede et dyr og installere programvaren (trinn 1 & 2), lukket-loop eksperimentet består av to separate …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av NSERC Discovery tilskudd til AL og 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).
