Summary
لتوضيح عملية الانتقال المعقدة من امكانات الحقل المحلي (LFPs) لالمسامير مشجعا مناسبة للضوء المحفزات الميكانيكية الطرفية بنيت. كتطبيق، وقد تم تحليل الأنشطة ارتفاعه المسجلة من القشرة الحسية الجسدية من خلال استراتيجية التحسين متعددة الهدف. أظهرت النتائج أن مشجعا المقترح كان قادرا على تقديم المنبهات اللمسية مع ميلي ثانية واحدة وتوضيحات ملليمتر.
Abstract
البحوث العصبية الحالي وذلك بهدف تطوير منهجيات للتحقيق في مسار الإشارة من الخلايا العصبية إلى الخلايا العصبية، وبالتحديد في الانتقال من المسامير لامكانات الحقل المحلي (LFPs) ومن LFPs إلى المسامير.
LFPs يكون الاعتماد معقدة على النشاط والارتفاع لا يزال يفهم علاقتها سيئة 1. ان توضيح هذه العلاقات إشارة تكون مفيدة لكلا التشخيص السريري (على سبيل المثال نماذج التحفيز العميق للدماغ تحفيز) ولفهم أعمق لاستراتيجيات الترميز العصبي في الظروف العادية والمرضية (مثل الصرع ومرض باركنسون، والألم المزمن). لهذا الهدف، يتعين على المرء أن حل المسائل التقنية المتعلقة بأجهزة التحفيز، والتحفيز نماذج التحليلات الحسابية. لذلك، تم تطوير جهاز التحفيز مصنوعة خصيصا من أجل تقديم المحفزات منظمة تنظيما جيدا في المكان والزمان الذي لا تتكبد في صدى الميكانيكية. في وقت لاحق،باعتبارها التمثيل، تم استخراج مجموعة من العلاقات LFP-ارتفاع موثوق بها.
وكان التحقيق في أداء الجهاز عن طريق التسجيلات خارج الخلية، بالاشتراك المسامير وردود LFP إلى محفزات تطبيقها، من الفئران القشرة الحسية الجسدية الأولية. ثم، عن طريق استراتيجية التحسين متعددة الهدف، وقدرت نموذج التنبؤية لحدوث ارتفاع على أساس LFPs.
تطبيق هذا النموذج يدل على أن الجهاز يناسب بشكل كاف لتقديم التحفيز عن طريق اللمس عالية التردد، متفوقا المحركات كهرضغطية مشترك. كدليل على فعالية الجهاز، وقدمت النتائج التالية: 1) توقيت وموثوقية ردود LFP المباراة بشكل جيد ردود السنبلة، 2) LFPs حساسة لتاريخ التحفيز والتقاط ليس فقط متوسط استجابة ولكن أيضا محاكمة لمحاكمة التقلبات في النشاط ارتفاع، وأخيرا 3) باستخدام إشارة LFP فمن الممكن لتقدير مجموعة سو النماذج التنبؤية التي التقاط جوانب مختلفة من النشاط ارتفاع.
Introduction
في سياق إشارة معالجة استجابة الدافع يوفر توصيف الأساسية للسلوك نظام الديناميكية.
على الرغم من أن الحافز الدافع المثالي هو عمليا لا يمكن تحقيقه، فمن الممكن الحصول على تقريب معقول من ذلك باستخدام عنصر المحرك الذي يولد التشريد عالية التردد. ويعرف هذا النوع من الضوء التحفيز عن طريق اللمس اهتزازي لاستهداف كل من الجلد العميقة (مثل الاستجابة السريعة، والتكيف بسرعة جسيمات باتشيني) 2 ومستقبلات سطحية (على سبيل المثال، عتبة منخفضة التكيف ببطء الهياكل القرصية ميركل) 2.
واتهم أجهزة التحفيز الحالية، المحركات كهرضغطية أساسا، مع عدد من السلبيات، وليس أقلها الأصداء والتشريد الصغيرة. للتغلب على هذه العيوب، يقترح تطبيق بديل من التحفيز مثل دفعة باستخدام تلميح اضعافها (تلميح الصبار ممهدة في حالتنا) عمودياشنت على مركز غشاء المتكلم مخروط متوسطة المدى. وهذا يوفر ميزة تشريد أكبر وأوسع طيف الترددات.
كان التطبيق الفعال لمثل هذا الجهاز لدراسة المشكلة العصبية ذات الصلة من المسامير LFPs إلى التبعية. بسبب الترابط الزماني خفية بين هذه الأحداث الكهربائية هناك حاجة إلى جهاز تنظيم ناعما لتقديم المحفزات الطرفية. كان المنبهات أن تكون سريعة وانتقائية مكانيا وقت ممكن من أجل الحد من "الضوضاء في الخلفية" وشحذ إشارات من الفائدة. لهذا الغرض، وجهاز التحفيز وبروتوكول تسليم التحفيز والأمثل معا للقيام بهذه المهمة. في هذه الورقة، ونحن تصف هذه التقنية وتقديم بعض النتائج ممثل.
وقد تم تصميم بروتوكول التحفيز على أساس العشوائية البقول تقرن والأمثل من أجل تجنب التعود. عرضت هذا البروتوكول الاستفادة من الزوج الكلاسيكيةإد البقول وقللت من إمكانية تأمين زائفة بين المحفزات ورشقات نارية دورية عفوية من نشاط الخلايا العصبية.
باستخدام هذه العشوائية نبض إقران كان من الممكن الحصول على LFP وارتفاع استجابات سريعة وموثوق بها وللقبض على ميزة خاصة لهذه الاستجابات تتعلق اعتماد كلا LFPs والمسامير عن تاريخ التحفيز. في الواقع، من ردود LFP الخام، مجموعة من ثلاثة LFP يضم (LFP على نفسها، وLFP الأولى المشتقة والمشتقة المرحلة الأولى) ربط بشدة مع متوسط استجابة السنبلة، تم استخراج أيضا.
لقد تم اقتراح عدد قليل من الطرق لتناسب النماذج التي تتنبأ المسامير من LFPs 3،4. عموما نقطة حرجة من عملية تركيب النموذج، مشتركة أيضا في التنبؤ الحدث من ارتفاع إشارة التحفيز، مكونة من الاختيار المناسب للدالة الهدف تعظيم / تقليل. بينما كان مجموعة من الوظائف الهدف اقتراحد (على سبيل المثال الارتباط والتماسك) 5 أيا من هذه يلتقط بالاشتراك تعقيد كاملة من الردود ارتفاع. وفقا لذلك، وقدم إطارا رواية تقوم على التحسين متعددة الهدف. وتبين لنا أن باستخدام المقترحة وضعت وهذا الإطار الحسابية فمن الممكن لتقدير مجموعة من النماذج التنبؤية على أساس LFP قوية لارتفاع العلاقات.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
بيان الأخلاقية
لدراسة كيفية تمثيل المحفزات الحسية من خلال نشاط الخلايا العصبية لا يوجد بديل لاستخدام الحيوانات، واستخدام لفي الجسم الحي النهج. وقد تمت معالجة جميع الحيوانات على طول القوانين الإيطالية والأوروبية لعلاج الحيوان في البحث العلمي (اللجنة أخلاقيات علم الأحياء الإيطالية، مرسوم قانون بشأن معاملة الحيوانات في البحوث، 27 يناير 1992، رقم 116). المجلس الوطني للبحوث، حيث تم إجراء التجارب، وتتمسك اللجنة الدولية في مختبر علم الحيوان (ICLAS) نيابة عن الأمم المتحدة للتربية والعلم والمنظمات الثقافية (اليونسكو)، ومجلس المنظمات الدولية للعلوم الطبية (CIOMS ) والاتحاد الدولي للعلوم البيولوجية (IUBS). على هذا النحو، كان مطلوبا أي موافقة بروتوكول محددة. وتصنف على موافقة وزارة الصحة على أنها "بييلا 1، 3/2011" في ملفات اللجنة الأخلاقية لجامعة ميلانو.
1. إعداد الحيوانات التجريبية
- حدد ذكور الفئران حوالي 300-400 غرام في الحجم.
- تخدير الفئران من أجل إعداد التجريبية.
- حقن الغشاء البريتونى حل الباربيتورات (بنتوباربيتال، 50 ملغ / كغ للتحريض، 10 ملغ / كغ للصيانة).
- تحقق من مستوى منخفض عن طريق التخدير وعتبة عتبة عالية المحفزات الميكانيكية أكثر من مخلب ضمان عدم حدوث المنعكس التراجع.
- تحضير البشرة قبل الحلاقة الجمجمة قبو الجمجمة بدقة ومن ثم إجراء شق لفضح سطح الجمجمة.
- يقني؛ يدخل القنية القصبة الهوائية، من خلال قنية القصبة الهوائية (القطر الداخلي من 2 ملم وقطرها الخارجي من 2.5 ملم) تحديد ذلك عن طريق الربط الجراحي حول القصبة الهوائية نفسها.
- أفقيا إلى الجزء القصبة الهوائية فضح حبل الوريد ويقني؛ يدخل القنية ذلك إدخال قنية (PE10) متصلة حقنة تحديد ذلك عن طريق ربط الجراحية في جميع أنحاء السفينة.
- جبل الفئران على جهاز التجسيمي.
- تأمين جسم الفئران ووضعه في موقف ضعيف.
- إصلاح رأسه القضبان الأذن ومنع الخطم. وضع واحد أو اثنين قطرات من مخدر موضعي (ليدوكائين) في أذن فأر قبل وضع قضبان الأذن.
- تنظيم درجة حرارة لوحة التجسيمي من قبل سادة التدفئة التي تسيطر عليها الكترونيا، والحفاظ على درجة الحرارة عند 37.5 درجة مئوية.
- توصيل أنبوب القصبة الهوائية للجهاز التنفسي التخدير.
- ضبط الجهاز التنفسي التخدير في 1 السكتة الدماغية / ث تقديم isoflurane و(2.5٪ 0.4-0.8 لتر / دقيقة) وO 2 (،15-0،2 لتر / دقيقة).
- تنظيف بعناية قبو الجمجمة من قبل بوفيدون اليود الموضعية مطهر.
- تأخذ مشرط معقم وقطع طولي على خط الوسط من أساس الخطم إلى زاوية عظم القذالي.
- تفرع حدود الجرح قبل ضام واصلاحها من قبل اثنين من ملقط صغير دلل تطبيقها رس حدود الجرح.
- تحديد السمحاق عن طريق توجيه الضوء على الجمجمة قبو مراقبة سطح شفاف. الصفر بعناية قبو العظام إزالة السمحاق وتعريض سطح العظام.
- توفير الإرقاء مع طرف القطن أو الإسفنج الجراحية على سطح العظام في حالة ظهور نزيف التنسيق على العظام.
- مع طرف القلم غرامة، وتحديد نقطة bregma المجسم عند نقطة تقاطع للsuturas mediosagittal والاكليلية.
- تحت السيطرة المجهر الجراحي، وتحديد منطقة المجسم (S1HL) تتراكب القشرة الحسية الجسدية المقابل إلى مخلب الخلفي المستخدمة في التجربة (Bregma، ا ف ب -0.5 إلى 1.2 مم، LL -2.3 إلى 2.5 ملم).
- مع طرف القلم غرامة رسم محيط مربع ترسيم حفرة إلى حفر.
- حفر 9 مم 2 حفرة في ساحة الأزرق التي سبق تحديدها إزالة البلاط العظام.
- تنظيف وامتصاص النزيف العظام المحتملة. إزالة بعناية الأم الجافية وتغطية السطح القشري مع اسفنجة جراحية غارقة في السائل النخاعي الاصطناعي الحفاظ على 37.5 درجة مئوية.
- إصلاح مصفوفة الكهربائي لحامل متصلة مياداة مجهرية الإلكترونية.
- ربط رئيس المصفوفة إلى المضخم من قبل microconnector.
- تدفع يدويا المصفوفة القطب (تحت السيطرة المجهر الجراحي) إلى السطح القشري (دون لمسها).
- التبديل على مكبرات الصوت مع إشارة السمعية.
- دفع، بواسطة جهاز التحكم الإلكترونية، يتم الوصول إلى مصفوفة الكهربائي للمس السطح القشري حتى الاتصال، أشار بواسطة تغيير الصوت الضوضاء واضحة.
- هدم مصفوفة الكهربائي بواسطة الخطوات التي تسيطر عليها الكترونيا (2 ميكرون / الخطوة) حتى يتم التوصل إلى عمق 350-400 ميكرون (الطبقة القشرية الرابع).
- تحقق استجابة الخلايا العصبية التي كتبها لمسات الضوء على مخلب الخلفي المقابل.
- ضبط عمق ببضعة خطوات أخرى حتى لوحظ استجابة ارتفاعه واضحة.
- شل الفئران عن طريق الوريد thriethiodide غالامين (20 ملغ / كغ / ساعة). استخدام جرعات ينكسر في كافة مراحل التجربة للحفاظ على مستويات كوررة (0.2 مل / 1 ساعة).
2. معالجة الإشارات
- إعداد برنامج للممر الموجة مرشح ل[0.1 6000] هرتز.
- تسجيل الإشارات العصبية من 8 قنوات مسرى مكروي مصفوفة عينات من 32 كيلو هرتز.
- بعد انتهاء عملية الاستحواذ، تصدير الإشارات المسجلة في تنسيق ثنائي مناسبة لمرحلة ما بعد المعالجة.
- تنفيذ الإجراء ارتفاع الفرز عن طريق الأدوات Wave_clus 11.
3. تصنيع وتكوين لتحفيز جهاز
- جبل ساق الصبار (مع تلميح اضعافها) متعامد على سطح متحدث المتوسطة المدى الإلتصاق أساس ساق إلى الحد الأقصى.
- برنامجمتحكم لتسليم نبضات الجهد لدارة السائق للمتكلم.
- برمجة متحكم لتسليم اثنين من البقول تقرن الحالي كل ثانية (انظر الشكل 1C).
- تجميع متكلم ومتحكم عن طريق L293D ح الجسر مع عناصر سلبية الأساسية (انظر الشكل 1A).
- ربط متحكم لبطارية قابلة للشحن 12 فولت.
4. بروتوكول التحفيز
- الغراء الجانب الظهري للمخلب الخلفيتين إلى إطار متين، وفضح السطح الراحي وتجنب الإلتواءات المفصلية.
- وضع غيض من جهاز التحفيز على موقف الطرف / مخلب المطلوب.
- التبديل على جهاز التحفيز.
الخطوات حاليا:
5. تقييم الردود سبايك
- لكل الخلايا العصبية المسجلة، حساب شانون المتبادلة المعلومات (MI) من التحفيز أثار النشاط ارتفاعه (كاليفورنيا التحفيزtegory هو إما 1، التحفيز، أو 0، لا التحفيز).
- تقدير احتمال استجابة مشروطة ص (ص | ق) حيث ق يمثل فئة التحفيز ويمثل ص عدد المسامير المنبعثة ضمن إطار زمني محدد.
- تصحيح التقدير MI باستخدام وصف الإجراء خلط 9.
6. تقييم الردود LFP
- تحديد الإشارات المسجلة في نطاق الترددات [0.1 100] هرتز من أجل الحصول على إشارة LFP
- حساب LFPSNR، وهو مقياس لاستجابة LFP، كما هو موضح في المرجع 10.
7. نموذج تقدير
- توليد نموذج من النموذج
حيث تمثل س الحجج ثلاث سمات مختلفة LFP (× 1 وLFP نفسها، < م> × 2 في المشتقات و× 3 ويعبر عن مرحلة من هيلبرت المشتقة منه) وجمعة على النحو التالي
ز معاملات الأوزان هي مزيج من خطي وو هو المشغل الذي يأخذ إما القيمة المطلقة، وقوة أو قيمة الأصلي من كل خ ط. - استخدام خوارزمية NSGAII لتقدير معالم النموذج والمشغلين باستخدام الأجسام التالية الثلاثة: ط) المحلية، أساس تجريبي، إلى المحاكمة، مقياس صالح
حيث N و N س ص وتمثل على التوالي المسامير الشاملة والاعتماد طول ناقلات الاستجابة؛ ب) قياس عالمي لائقا على أساس متوسط الاستجابةad/50941/50941eq4.jpg "العرض =" 205 "/> حيث يمثل N التركيب طول متوسط الاستجابة؛ ج) على قدر من التعقيد نموذج (انظر أيضا) 10 
.
حيث N و N س ص وتمثل على التوالي المسامير الشاملة والاعتماد طول ناقلات الاستجابة؛ ب) قياس عالمي لائقا على أساس متوسط الاستجابةad/50941/50941eq4.jpg "العرض =" 205 "/> حيث يمثل N التركيب طول متوسط الاستجابة؛ ج) على قدر من التعقيد نموذج (انظر أيضا) 10 
. 8. تأكيد النسيجية
- التضحية الفئران.
- في نهاية التسجيلات التجريبية، ووضع الحيوان تحت التخدير العميق الغازية (isoflurane و2٪، 4 لتر / دقيقة) وحقن عن طريق الوريد جرعة زائدة من الباربيتورات (> 50 مغ / كغ، بنتوباربيتال).
- الانتظار اعتقال القلب.
- إلغاء تحميل الفئران من جهاز التجسيمي
- الارواء.
- وضع فأر على وضع شبكة على حوض لجمع الدم والسوائل من نضح.
- فتح القفص الصدري بواسطة تشريح القص فصل من الإدراج الصدري.
- منع عملية سيفي الشكل القصية مع ملقط ودلل قلب كرanially القص وتفرع الأضلاع على القلب.
- تحديد البطين الأيسر والأذين الأيمن، ووضع تسعة مقياس قلل إبرة طرف (متصلا قنية التروية) في البطين وفتح مع مقص غرامة الجراحية الأذين الأيمن.
- بدء نضح من البرد (4 درجات مئوية) heparinized حل الفسيولوجية (250 مل)، يليه نضح من حل الفورمالين 4٪ (250 مل).
- استخراج المخ من الجمجمة عن طريق فتح قبو الجمجمة مع ملقط مناسبة ووضع الدماغ في محلول الفورمالين 10٪.
- بعد أسبوع، وإعداد الشرائح النسيجية من قبل مشراح (10 ميكرون سمك).
- وصمة عار على الدماغ المقاطع الاكليلية والسهمي مع حل البنفسجي cresyl.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ميزات طرف رحلة
لتوصيف خصائص الديناميكية للجهاز تحفيز المقترحة، وضعت سلسلة من التجارب تصل. تم استخدام جهاز معين والتي تتكون من الغاليوم الغاليوم الأشعة تحت الحمراء التي تنبعث منها الصمام الثنائي إلى جانب وجود ترانزستور ضوئي السيليكون لتقييم النزوح طرف، ومدة النزوح والتشريد التأخير ممكن. من خلال هذا التبديل قاطع البصرية وضعنا الطرف مشجعا على حافة الحفرة التي ينبعث منها الصمام الثنائي (الارتفاع = 1 ملم) وسجلت كل من متحكم والمخرجات ترانزستور ضوئي. وقد سهل هذا الإجراء وضع بواسطة جهاز microstepper مع الحد الأقصى من القرار 1 مم.
وتظهر استجابة الأجهزة في الشكل 2A. يمثل الخط الأحمر الاستجابة ترانزستور ضوئي تليها الاستجابة متحكم مما يدل على بداية الدقيق للنزوح طرف. والجدير بالذكر أن تأخير منهجية بسبب commutكان ations الحاضر وكميا (الشكل 2B، يعني = 583 μsec في 100 تجارب) الناتج كما بوفرة تحت الدقة الوقت المطلوب (1 ميللي ثانية). أخيرا، قمنا بقياس مدة النزوح طرف أن كان 3.96 ميللي ثانية في المتوسط كما هو مبين في الشكل 2C.
العشوائية المقترنة بروتوكول لالتقاط نبض LFP والعلاقات سبايك
من أجل فهم العلاقة بين LFP والمسامير، وضعنا لأول مرة لإنشاء جهاز التحفيز التي يمكن أن تثير استجابات سريعة وموثوق بها من كل الإشارات. ويبين الشكل 3A والتحفيز الفاصل بين التوزيع وضمان أن الجهاز أثار التشكيل النشاط ارتفاعه. هو مفصل وصف الجهاز وعمل في قسم البروتوكول.
في أرقام 3B و 3C ترد LFP وارتفاع الاستجابات العصبية للممثل، على التوالي. عن طريق قياس المتبادلة إعلامأوجه للطفرات وSNR لLFPs (أرقام 4A و 4B) كان واضحا أن كلا تشفير كمية كبيرة من المعلومات حول حدوث التحفيز.
قدمت المثير للاهتمام LFPs والمسامير أيضا معلومات عن تاريخ التحفيز (أرقام 4C-E). على وجه الخصوص خفضت ردود LFP بشكل كبير عندما تم سبقت التحفيز الفعلي للدفعة السابقة مع صغيرة بما فيه الكفاية بين التحفيز الفاصل الزمني (أرقام 4C و 4D). ترميز العصبية التاريخ التحفيز ارتباطا إيجابيا مع MI على الرغم من تعرض القيم أقل بكثير (الشكل 4E).
ثم طلبنا الذي يتميز إشارة LFP أفضل ربط مع ارتفاع الاستجابة. بعد تحليل أولي، تم تحديد ثلاث سمات LFP التي ترتبط بقوة مع ارتفاع متوسط الاستجابة: متوسط LFP، المشتقة منه والمرحلة المشتقة LFP ( استراتيجية متعددة موضوعية لسبايك التنبؤ بناء على LFPs يكون عادة القطارات ارتفاع هياكل الزمنية المعقدة التي تظهر ارتباط ملموس في عدة فترات زمنية. لذلك، والتي من جوانب استجابة الخلايا العصبية يتم التقاطها بواسطة LFPs؟ اختبار جيد للتحقيق في فهم العلاقة LFP السنبلة هو أن نسأل كيف يمكن التنبؤ بشكل جيد المسامير فقط من خلال النظر في إشارة LFP. لذلك، باستخدام مجموعة من الميزات أعلاه LFP (انظر الشكل 4F)، كان الهدف هو بناء نموذج تنبؤي ذلك، في أي وقت، يقرأ القيم من هذه الميزات ويولد التنبؤ ثنائي حول حدوث ارتفاع. وتشكل مشكلة خطيرة تتعلق تركيب نموذج التنبؤ ارتفاع باختيار وظيفة الهدف المناسب. الخيارات الأكثر شيوعا هي معامل بيرسون وظيفة التماسك 5. ينتيريسيتم توفير البدائل تينغ بواسطة مقاييس ارتفاع 6. في حين تستند التدابير الأولين على متوسط الاستجابات العصبية، وبالتالي لا تلتقط بنية كاملة من القطارات السنبلة، وهذا الأخير هو تطلبا حسابيا وغير عملي لأغراض المناسب. ويقترح حلا بديلا يعتمد على التحسين متعددة الهدف. والفكرة هي لتقليل بالاشتراك أكثر الأهداف وظائف (الآخرة فقط ودعا أهداف). هذه الأهداف يجب أن تكون فعالة حسابيا لحساب وقادرة على التقاط الجوانب المختلفة للاستجابة الخلايا العصبية. باستخدام مفهوم باريتو الأمثلية ثم يمكننا العثور على مجموعة من النماذج، كل الأمثل لالمفاضلة بين هذه الأهداف محددة. من أجل تقدير السطوح الأمثل باريتو تم استخدام خوارزمية NSGAII 12. حددنا ثلاث وظائف الهدف: واحد العالمية على أساس المسافة في متوسط الاستجابات، واحدة محلية على أساس المسافة على محاكمة محاكمة إلىأساس وهدف الإضافية التي يعاقب تعقيد نموذج (انظر القسم بروتوكول النسبية). وأظهرت النتائج التي تم الحصول عليها عن طريق تركيب الخلايا العصبية ممثل من مجموعة البيانات لدينا في أرقام 5A و 5B. تقارير الشكل 5A المسافة العالمي (PF) والمسافة المحلية (SM) بين نموذج والاستجابات الحقيقية. لاحظ أن المسافات لكل نموذج هي الأمثل بمعنى باريتو بحيث لا يوجد نموذج أفضل أو أسوأ من أي واحد آخر في كل المسافات. يحمل نفس المبدأ لجميع المسافات الثلاثة معا يعتبر (الشكل 5B). والميزة الرئيسية التي قدمها تقدير مجموعة من النماذج المثلى بدلا من واحد واحد يكمن في حقيقة أن نماذج مختلفة، استنادا الأمثل المفاضلة بين الأهداف المحددة، والتقاط الجوانب المختلفة للاستجابة الخلايا العصبية الحقيقية. ويظهر هذا في الشكل 6، حيث تشخيص النقطية الأصليوذكرت الكباش (أرقام 6A و6D) وتلك المتوقعة (أرقام 6B، 6C، 6E، و6F)، من اثنين من الخلايا العصبية ممثل: نماذج التي تقلل من القبض على مسافة المحلية المرحلة الأكثر موثوقية من الاستجابات العصبية (أرقام 6B و 6E ) بينما النماذج القائمة على أساس معقول مفاضلة بين المحلي والعالمي المسافة التقاط أفضل تباين الخلايا العصبية وإطلاق عفوية على نطاق الزمنية بأكملها (0-50 ميللي ثانية، أرقام 6C و6F). = "jove_content" FO: المحافظة على together.within صفحة = "دائما"> 
الشكل 1 (أ) رسم تخطيطي للدارة السائق. العنصر الرئيسي هو L293D ح الجسر. يتم تسليم أوامر متحكم في ع D1 و D2 الإضافية. (ب) أضعفت الحركات تلميح لتحفيز الميكانيكية الخفيفة. حجم الشبكة على ورقة الرسم البياني 1 مم. اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر . 
الشكل 2. تلميح ملامح التشرد. (A) ومخرجات متحكم (الخط الأزرق) وللترانزستور ضوئي (خط أحمر). تم تعيين خط عمودي الأخضر ل0 إلى بداية النزوح طرف. (ب) توزيع احتمال التأخير طرف تشريد أكثر من 100 فعالية تم الحصول عليها التجارب. (ج) التوزيع الاحتمالي لمدة النزوح طرف في المتوسط في 100 المحاكمات./ ftp_upload/50941/50941fig2highres.jpg "الهدف =" _blank "> اضغط هنا لمشاهدة صورة أكبر. 
الرقم 3 (أ) التوزيع المشترك بين التحفيز الفاصل. (B، C) "على الهواء" المحفزات لا تثير استجابات (انظر الجزء العلوي من الرسوم البيانية على حد سواء في نطاق 1،000 إلى 1،200 المحاكمات). مقارنتها مع التشغيل التجريبي التحفيز الحقيقي (على محاور تنسيق) من 0 إلى 1،000، حيث بين 15 - 40 ميللي ثانية تأخير من بداية التحفيز (الوقت 0 على الإحداثي السيني) ردود واضحة يمكن ملاحظتها. المؤامرة في (B) يشير إلى استجابة LFP في حين أن المؤامرة في (C) يشير إلى ارتفاع استجابة. في المحور الصادي حق أكثر شخصية، وهناك مواقع ("إصبع القدم الكبير"، "ثانيا"، & #34؛ ثالثا "، الخ) من المحفزات على أطرافهم هند من الفئران اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر . 
الشكل 4. (A، B) معلومات المتبادلة وLFP SNR بوصفها وظيفة من الوقت على طول أرقام مختلفة. (C) LFP القيم تطبيع بعد قصيرة (<100 مللي ثانية) والطويلة (> 300 ميللي ثانية) بين التحفيز الفاصل الزمني (IStimI) . (D) متوسط قوة ردود LFP بعد فترة طويلة وقصيرة IStimI. تمثل كل نقطة تسجيل متميزة. (E) MI حوالي طويلة / قصيرة IStimI بوصفها وظيفة من أكبر القيم MI حول حدوث التحفيز (ايماكس). كل نقطة تمثل الإعلان الخلايا العصبية istinct. (F) وPSTH من الخلايا العصبية ممثل يرتبط بشكل جيد مع ثلاث سمات للاستجابة LFP: متوسط إشارة الخام، والمشتقات ومتوسط المرحلة المشتقة اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر . 
الرقم 5. (A، B) مسافة المحلية والعالمية بين الاستجابات المتوقعة والحقيقية لممثل الخلايا العصبية. (B) التقييم المشترك للمسافات الثلاثة. وقدرت باريتو الحلول المثلى باستخدام خوارزمية NSGAII. اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر . 
الرقم 6. صحيح (A، D) ويقدر (B، C و E، F على التوالي) استجابات الخلايا العصبية لمدة ممثل. س، ص، ض وتمثل على التوالي إشارة LFP الخام، ولها مشتقة ومرحلة المشتقة منه. انقر هنا لعرض أكبر الصورة .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
قدم هذا العمل أولا على الجهاز الجديد، بسيطة ومنخفضة التكلفة لتقديم المحفزات تمكين سريعة ومكانيا مثل النقطة الحسية. ثم تم التحقق من صحة العشوائية تقرن نبض بروتوكول التحفيز ومجموعة من التحليلات الحسابية. كان الهدف العام لإنشاء إطار لتقدير العلاقات LFP-ارتفاع في التسجيلات الكهربية خلال التحفيز عن طريق اللمس.
الجهاز، البروتوكول والنهج التحليلي ساهمت معا إلى نتيجة، وهي أول مظاهرة من نهج القطعية قادرا على وصف والتنبؤ LFP إلى ارتفاع التحولات، وهي عملية العصبية لا تزال غير مفهومة تماما 1.
ومثلت نقطة حرجة قبل الإعداد المناسب للمجلس متحكم برمجة، الذي ينظم قوة وطول رحلة طرف تجرها الغبار كاب. حل مناسب يسمح موثوقة المنبهات عالية التردد وdispla كبيرة نسبياوقد وصفت الأسمنت في قسم النتائج. مقارنة مع المحركات التقليدية كهرضغطية قدم الجهاز اثنين من المزايا الرئيسية: أنه نجا من مشكلة نموذجية الرنين الميكانيكية وسمحت التشريد غيض كبيرة نسبيا.
ومن المعروف أن الخلايا العصبية في القشرة S1 للتعبير عن حقول تقبلا كبيرة والاستجابات السريعة لتحفيز اللمس 8. الصيام، مثل الدافع المحفزات هي مناسبة بشكل مثالي لتجنيد كل من مستقبلات الجلد السطحية والعميقة (مثل ميركل أو جسيمات باتشيني) 2، وتغيير في الوقت المناسب المعلمات التحفيز (شدة، والمدة، المنحدر المتفرعة) يمكن للمرء أن توظيف تفضيلي واحدة من هذه الفئات مستقبلات مختلفة . ويهدف البروتوكول العشوائية نبض إقران إلى الحد entrainment الفكرة التنبؤية من التذبذبات العصبية إلى حدوث التحفيز الذي يحدث عادة خلال المحفزات الدورية. من ناحية أخرى يسمح الفاصل بين النبضات متغير المقترنة لنا لاستخراج dependenc واضحةالبريد على التاريخ التحفيز. لتقدير هيكل والمعلمات لدينا نموذج تنبؤي اعتمدنا على خوارزمية الأمثل متعدد الأهداف المعروفة، ودعا غير تهيمن-الفرز الوراثية خوارزمية الثاني أو NSGAII 12. يعتمد مشكلة رئيسية في تركيب نموذج التنبؤية لحدوث ارتفاع في بنية الزمانية المعقدة للقطارات ارتفاع حقيقي. وقد ثبت قياس المسافة بين توقع وحقيقية القطارات ارتفاع ليكون مهمة مكلفة حسابيا 6. استخدام NSGAII، خوارزمية التحسين متعددة الهدف، ويسمح لكسر المشكلة إلى عدة مسافات وفعالة حسابيا.
لتقييم الخير من نموذج كنا بحاجة إلى تحديد الخطأ في التنبؤ يمثله المسافة بين توقع وحقيقية القطارات ارتفاع. أخذت معيارين رئيسيين لتقييم تنبؤات النموذج بعين الاعتبار. عادت عملية تركيب مجموعة من النماذج بدلا من واحدة واحدة. ومن المثير للاهتمام كل نموذج طن مجموعة بدا لالتقاط جوانب مختلفة من القطارات ارتفاع الأصلي.
في الختام، الإطار المتقدمة، على أساس الأمثل بالاشتراك جهاز التحفيز، والبروتوكول والتحليلات، يمكن أن تستخدم للحصول على مزيد من الإيضاحات بشأن العلاقة LFP-ارتفاع وتحسين الاستراتيجيات الحالية لكفاءة البرمجة واجهات الدماغ والآلة وneuroprosthetics.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الكتاب تعلن أي المصالح المالية المتنافسة.
Acknowledgments
وتم دعم SN وAGZ من الأموال VIRTUALAB PON 01-01297.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Microstepper | AB Transvertex (Stockholm, Sweden) | The microstepper used to pull down the electrode matrix | |
| 32-channel Cheetah System | Neuralynx (MT, USA) | The electrophysiological recording system | |
| L293D h-bridge | RS Components (Cinisello Balsamo, Italy) | The bridge used to connect the microcontroller to the speaker | |
| H21A3 Optical Interrupter Switch | Fairchild Semiconductor Corporation (San Jose, California) | The phototransistor used to estabilish the tip displacement | |
| Arduino Uno | Arduino (Duemilanove, Italy) | The microcontroller used to deliver current pulse to the speaker | |
| Microelectrode Matrices GB1 | FHC | ||
| Isoflurane | Rhodia Organique Fine Ltd. | The anesthetic used to prepare animals | |
| Stereotaxic apparatus | Narishighe (Tokyo, Japan) | ||
| Sprague-Dawley male rats | Charles River (Calco, LC, Italy) | ||
| Gallamine thriethiodide | Sigma-Aldrich | The compound used to curarize the animals | |
| Cresyl violet | Sigma-Aldrich | ||
| Topical antiseptics (Betadine 10%) | Meda Pharma (Milanm Italy) | ||
| Heparine | Sigma-Aldrich | ||
| Formaldehyde | Carlo Erba Reagents (Pomigliano Milanese, Milan, Italy) |
References
- Pesaran, B. Uncovering the Mysterious Origins of Local Field Potentials. Neuron. 61 (1-2), (2009).
- Delmas, P., Hao, J., Rodat-Despoix, L. Molecular Mechanisms of Mechanotrasduction in Mammalian Sensory Neurons. Nat. Rev. Neurosci. 12, 139-153 (2011).
- Rasch, M. J., Gretton, A., Murayama, Y., Maass, W., Logothetis, N. K. Inferring spike trains from local field potentials. J. Neurophys. 99 (3), 1461-1476 (2008).
- Galindo-Leon, E. E., Liu, R. C. Predicting stimulus-locked single unit spiking from cortical local field potentials. J. Comput. Neurosci. 29 (3), 581-597 (2010).
- Theunissen, F. E., David, S. V., Singh, N. C., Hsu, A., Vinje, W. E., Gallant, J. L. Estimating spatio-temporal receptive fields of auditory and visual neurons from their responses to natural stimuli. Network. 12 (3), 289 (2001).
- Victor, J. D., Purpura, K. Metric-space analysis of spike trains: theory, algorithms, and application. Network. 8, 127-164 (1997).
- Foffani, G., Chapin, J. K., Moxon, K. A. Computational Role of Large Receptive Fields in the Primary Somatosensory Cortex. J. Neurophysiol. 100 (1), 268-280 (2008).
- Microcontroller website. , Duemilanove, Italy. Available: http://arduino.cc (2014).
- Panzeri, S., Senatore, R., Montemurro, M. A., Petersen, R. S. Correcting for the sampling bias problem in spike train information measures. J. Neurophysiol. 98, 1064-1072 (2007).
- Storchi, R., Zippo, A. G., Caramenti, G. C., Valente, M., Biella, G. E. M. Predicting Spike Occurrence and Neuronal Responsiveness from LFPs in Primary Somatosensory Cortex. PLoS ONE. 7 (5), (2012).
- Quiroga, R. Q., Nadasdy, Z., Ben-Shaul, Y. Unsupervised Spike Detection and Sorting with Wavelets and Superparamagnetic Clustering. Neural Comput. 16, 1661-1687 (2004).
- Deb, K., Agrawal, A., Pratab, A., Meyarivan, T. A fast elitist non-dominated sorting genetic algorithm for multi-objective optimization: NSGA-II IEEE. Trans. Evol. Comput. 6 (2), 181-197 (2000).
