Nörofizyolojik Deneylerde Kapalı Döngü Uyaranlarını Tetiklemek Için Nöron Spiking Aktivitesinin Kullanılması
Summary
Bu protokol, nöronal aktivite paternlerinin tetiklediği kapalı döngü stimülasyonları için elektrofizyolojik sistemin nasıl kullanılacağını göstermektedir. Farklı stimülasyon cihazları için kolayca değiştirilebilen örnek Matlab kodu da sağlanır.
Abstract
Kapalı döngü nörofizyolojik sistemler uyaranları tetiklemek için nöronal aktivite kalıpları kullanırlar, bu da beyin aktivitesini etkiler. Bu tür kapalı döngü sistemleri zaten klinik uygulamalarda bulunan ve temel beyin araştırmaları için önemli araçlardır. Özellikle ilginç bir son gelişme optogenetik ile kapalı döngü yaklaşımların entegrasyonu, nöronal aktivite belirli desenler seçilen nöronal grupların optik stimülasyon tetikleyebilir gibi. Ancak, kapalı döngü deneyleri için bir elektrofizyolojik sistem kurmak zor olabilir. Burada, tek veya birden fazla nöronların aktivitesine dayalı uyaranları tetiklemek için uygulamaya hazır bir Matlab kodu sağlanır. Bu örnek kod, bireysel ihtiyaçlar temel alınca kolayca değiştirilebilir. Örneğin, ses uyaranlarının nasıl tetiklenir ve pc seri bağlantı noktasına bağlı harici bir aygıtı tetiklemek için nasıl değiştirileceği gösterilmektedir. Sunulan protokol hayvan çalışmaları (Neuralynx) için popüler bir nöronal kayıt sistemi ile çalışmak üzere tasarlanmıştır. Kapalı döngü stimülasyon uygulaması uyanık bir sıçanda gösterilmiştir.
Introduction
Bu protokolün amacı nörofizyolojik deneylerde kapalı döngü stimülasyonun nasıl uygulanacağını göstermektir. Nörobilimde kapalı döngü deneyleri için tipik kurulum nöronal aktivitenin online okuma dayalı uyaranları tetikleme içerir. Bu, sırayla, beyin aktivitesinde değişikliklere neden olur, böylece geribildirim döngü kapanış1,2. Bu tür kapalı döngü deneyleri standart açık döngü kurulumları üzerinde birden fazla fayda sağlar, özellikle optogenetik ile birlikte, hangi araştırmacılar nöronların belirli bir alt kümesi hedef sağlar. Örneğin, Siegle ve Wilson bilgi işleme3teta salınımlarının rolünü incelemek için kapalı döngü manipülasyonları kullanılır. Onlar teta salınımlarının düşen faz ı sajal hipokampal nöronlar uyarıcı yükselen faz üzerinde aynı stimülasyon uygulayarak daha davranış üzerinde farklı etkileri olduğunu gösterdi. Kapalı döngü deneyleri de klinik öncesi çalışmalarda giderek daha önemli hale gelmektedir. Örneğin, birden fazla epilepsi çalışmaları nöbet başlangıcında tetiklenen nöronal stimülasyon nöbet şiddetini azaltmak için etkili bir yaklaşım olduğunu göstermiştir4,5,6. Ayrıca, otomatik nöbet algılama sistemleri ve tedavi şartlı teslim7,8 epilepsi hastalarında önemli faydalar gösterdi9,10,11,12. Kapalı döngü metodolojilerinin hızlı bir şekilde ilerlemesi ile bir diğer uygulama alanı kortikal beyin-makine arayüzleri ile nöroprotez kontrolüdür. Bunun nedeni, protez cihazların kullanıcılarına anlık geri bildirim sağlanmasının doğruluğu ve yeteneğini önemli ölçüde artırmasıdır13.
Son yıllarda, çeşitli laboratuvarlar nöronal aktivite ve bir kapalıdöngü sistemi14,15,16,17,18uyaranların teslim eşzamanlı elektrik kayıt için özel sistemler geliştirdik. Bu kurulumların çoğu etkileyici özelliklere sahip olsa da, bunları diğer laboratuvarlarda uygulamak her zaman kolay değildir. Bunun nedeni, sistemlerin genellikle gerekli elektronik ve diğer gerekli donanım ve yazılım bileşenlerini bir araya getirmek için deneyimli teknisyenler istemesidir.
Bu nedenle, nörolojik araştırmalarda kapalı döngü deneylerin benimsenmesini kolaylaştırmak için, bu kağıt bir açık döngü elektrofizyolojik kayıt kurulumu dönüştürmek için bir protokol ve Matlab kodu sağlar19,20,21,22 kapalı döngü sistemi2,6,23. Bu protokol, nöronal nüfus kayıtları için popüler bir laboratuvar sistemi olan Digital Lynx kayıt donanımı ile çalışmak üzere tasarlanmıştır. Tipik bir deney aşağıdakilerden oluşur: 1) 5-20 dakikalık spiking veri kaydı; 2) Spike sıralama nöronal şablonlar oluşturmak için; 3) Nöral aktivite kalıplarının çevrimiçi algılamasını gerçekleştirmek için bu şablonları kullanmak; ve 4) Kullanıcı tarafından belirtilen desenler tespit edildiğinde uyarıcı veya deneysel olayları tetikleme.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada açıklanan protokol, kapalı döngü stimülasyon gerçekleştirmek için standart bir nörofizyolojik kayıt sisteminin nasıl kullanılacağını göstermektedir. Bu protokol, bilgisayar biliminde sınırlı uzmanlığa sahip nörologların çok az maliyetle çeşitli kapalı döngü deneylerini hızla uygulamalarını sağlar. Bu tür deneyler genellikle beyinde nedensel etkileşimleri incelemek için gereklidir.
Bir hayvan hazırlayıp yazılımı yükledikten sonra (Adımlar 1 & 2…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma AL ve AG’ye verilen NSERC Discovery bağışları ile desteklenmiştir.
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).
