En simpel Stimulerende Anordning til Fremmane Punkt-lignende Tactile Stimuli: En Søgelys til LFP til Spike Transitions

Summary

For at belyse den komplekse overgang fra lokale feltpotentialer (storformatprintere) at spikes en egnet stimulator for lette mekaniske perifere stimuli blev bygget. Som en anvendelse blev saette aktiviteter, der registreres fra somatosensoriske cortex analyseret af en multi-objektiv optimering strategi. Resultaterne viste, at den foreslåede stimulator var i stand til at levere taktile stimuli med millisekund og millimeter præciseringer.

Abstract

Aktuel neurofysiologisk forskning har til formål at udvikle metoder til at undersøge signal rute fra neuron til neuron, nemlig i overgange fra spikes til Lokal feltpotentialer (storformatprintere) og fra storformatprintere til spikes.

Storformatprintere har en kompleks afhængighed spike aktivitet og deres relation er stadig dårligt forstået ^1.. Belysning af disse signal relationer ville være nyttigt for både klinisk diagnostik (f.eks stimulation paradigmer for Deep Brain Stimulation), og for en dybere forståelse af neurale kodning strategier i normale og patologiske tilstande (fx epilepsi, Parkinsons sygdom, kronisk smerte). Til dette formål, man har til at løse tekniske problemer relateret til stimulation enheder, stimulering paradigmer og beregningsmæssige analyser. Derfor er en custom-made stimulation enhed blev udviklet med henblik på at levere stimuli godt reguleret i tid og rum, som ikke skal afholde i mekanisk resonans. Efterfølgendesom en eksemplificering blev et sæt af pålidelige LFP-spike relationer udvundet.

Udførelsen af ​​enheden blev undersøgt ved ekstracellulære optagelser fællesskab spikes og LFP reaktioner på de anvendte stimuli, fra rotte Primary Somatosensoriske cortex. Så ved hjælp af en multi-objektiv optimering strategi blev en prædiktiv model for spike forekomst baseret på storformatprintere anslået.

Anvendelsen af ​​dette paradigme viser, at enheden er tilstrækkeligt egnet til at levere høj frekvens taktil stimulation, udkonkurrerer almindelige piezoelektriske aktuatorer. Som et bevis på effekten af ​​enheden, blev følgende resultater præsenteres: 1) timingen og pålideligheden af ​​LFP reaktioner godt matche spike reaktioner, 2) storformatprintere er følsomme over for stimulation historie og fange ikke blot det gennemsnitlige svar, men også den trial-til-forsøg udsving i spike-aktivitet, og endelig 3) ved hjælp af LFP signal, er det muligt at estimere en række of prognosemodeller, der indfanger forskellige aspekter af spike aktivitet.

Introduction

I forbindelse med signalbehandling impulssvaret giver en grundlæggende karakterisering af opførslen af ​​et dynamisk system.

Selv om den ideelle impuls stimulus er næsten ikke muligt, er det muligt at opnå en rimelig tilnærmelse af det ved hjælp af en aktuator element, der genererer højfrekvente forskydninger. Denne form for lys taktil-vibrerende stimulation er kendt for at målrette både dyb huden (fx hurtigt at reagere, hurtig tilpasning Pacinian blodlegemer) ² og overfladiske receptorer (fx lav tærskel langsomt tilpasser Merkel skiveformede strukturer) ^2..

Aktuelle stimulation enheder, primært piezoelektriske aktuatorer, er anklaget for en række ulemper, ikke mindst resonanser og små forskydninger. For at overvinde disse mangler, er en alternativ implementering af impuls-lignende stimulering foreslået ved hjælp af en stump spids (en kaktus glattet spids i vores tilfælde) lodretmonteret på membranen centrum af en mid-range højttaler kegle. Dette giver den fordel, at større forskydninger og bredere frekvensspektrum.

En effektiv anvendelse af en sådan anordning var studiet af relevante neurofysiologiske problem for storformatprintere til spikes afhængighed. På grund af den subtile tidsmæssig sammenhæng mellem disse elektriske begivenheder et fint reguleret enhed var nødvendig for at levere perifere stimuli. De stimuli skulle være så hurtig og rumligt selektivt som muligt for at reducere den "baggrundsstøj", og skærpe de signaler af interesse. Til dette formål blev stimulering enheden og stimulus levering protokollen i fællesskab optimeret til opgaven. I dette papir, beskriver vi teknikken og præsentere nogle repræsentative resultater.

En stimulering protokol baseret på randomiserede parrede impulser er udformet og optimeret for at undgå tilvænning. Denne protokol tilbudt fordel af klassisk pared impulser og reduceret muligheden for falsk låsning mellem stimuli og spontane periodiske byger af neuronal aktivitet.

Ved at bruge dette randomiserede parret puls var det muligt at opnå hurtige og pålidelige LFP og spike svarene og at fange den særlige træk ved disse reaktioner i forbindelse med afhængighed af både storformatprintere og pigge på stimulation historie. Faktisk fra de rå LFP svar, et sæt af tre LFP funktioner (LFP selv, LFP første afledte og fase af den første afledede) stærkt korrelerer med den gennemsnitlige spike respons, blev også udvundet.

Er blevet foreslået par metoder til at passe modeller, der forudsiger pigge fra storformatprintere ^3,4. I almindelighed et kritisk punkt af modellen tilpasningsprocessen, også almindelig forudsigelse spike begivenhed fra stimulus signalet udgøres af et passende valg af den objektive funktion at maksimere / minimere. Mens en række af objektive funktioner har været foreslåd (fx korrelation og sammenhæng) ^5. ingen af disse i fællesskab indfanger hele kompleksiteten af spike svar. Derfor indføres en ny ramme baseret på multi-objektiv optimering. Vi viser, at ved at bruge de foreslåede udtænkt, og denne beregningsmæssige rammer er det muligt at estimere et sæt af prognosemodeller baseret på stærk LFP at spike relationer.

Protocol

Etisk Statement

At studere, hvordan sensoriske stimuli er repræsenteret ved neuronal aktivitet er der ikke noget alternativ til anvendelse af dyr og anvendelse af en in vivo metode. Alle dyr er blevet behandlet langs de italienske og europæiske love om behandling af dyr i Videnskabelig Forskning (italiensk bioetiske udvalg, lovdekret om behandlingen af ​​dyr i forskning, 27 Jan 1992, nr. 116). National Research Council, hvor forsøgene er blevet udført, overholder Den Internationale Komité for Laboratory Animal Science (ICLAS) på vegne af De Forenede Nationers Organisation for Uddannelse, Videnskab og Kultur Organisationer (UNESCO), Rådet for internationale organisationer, Medical Sciences (CIOMS ) og Den Internationale Union for Biologisk Institut (IUBS). Som sådan var der ikke protokol-specifikke godkendelse kræves. Godkendelsen af ​​Ministeriet for Sundhed er klassificeret som "Biella 1, 3/2011" i filer af Etisk KomitéMilano-universitetet.

1.. Udarbejdelse af forsøgsdyrene

1. Vælg hanrotter ca 300-400 g i størrelse.
2. Bedøver rotterne for eksperimentelle forberedelse.
   1. Indsprøjtes intraperitonealt en barbiturat opløsning (pentobarbital, 50 mg / kg til induktion, 10 mg / kg til vedligeholdelse).
   2. Check anæstesi niveau ved mekaniske stimuli lav tærskel og høj tærskel over en pote sikre, at ingen tilbagetrækning refleks opstår.
   3. Forbered kranie hud ved barbering kranielle deformiteter præcist og derefter foretage et snit for at blotlægge kraniel overflade.
   4. Cannulate luftrøret, en trakeal kanyle (indvendig diameter på 2 mm og en ydre diameter på 2,5 mm) fastsættelse det ved kirurgisk ligering omkring trachea selv.
   5. Lateralt trakeal segment eksponere halsvenen og cannulate der indsættes en kanyle (PE10) forbundet til en sprøjte fastsættelse det ved kirurgisk ligering rundt om skibet.
3. Monter rotte på et stereotaktisk apparat.
   1. Sikker rotte krop og sted i en liggende stilling.
   2. Fix hovedet af øre barer og blokere snuden. Sæt en eller to dråber lokalbedøvelse (lidokain) i rottens øre før placere øre barer.
4. Regulere temperaturen af ​​stereotaktisk pad af en elektronisk styret varmepude, opretholdelse af temperaturen på 37,5 ° C.
5. Slut trachealtube for luftvejene anæstesi-enheden.
   1. Indstil respiratoriske anæstesi enhed på 1 slag / s leverer Isofluran (2,5% 0,4-0,8 L / min) og O ₂ (0,15-0,2 l / min.)
6. Rengør omhyggeligt kranie hvælving med en povidon-jod aktuel antiseptisk.
7. Tag en steril skalpel og skæres i længderetningen på midterlinjen fra basis af snude til vinklen nakkebenet.
   1. Divaricate såret grænser ved en retractor og løse dem ved to små cocker pincet anvendes to såret grænser.
   2. Identificer periosteum ved at pege et lys over et kranium hvælving observere den gennemskinnelige overflade. Skrab forsigtigt knoglen hvælving fjerne periost og udsætter knoglen overflade.
   3. Giv hæmostase med en vatpind eller kirurgisk svamp over knoglen overfladen, hvis fokale blødninger vises over knoglen.
8. Med en fin spids pen, identificere stereotaktisk punkt bregma i krydset af de mediosagittal og koronale suturas.
   1. Under kirurgisk mikroskop kontrol identificere stereotaktisk område (S1HL) overlejrer somatosensoriske cortex kontralateral til den bageste pote anvendt til forsøget (Bregma AP -0,5 til 1,2 mm, LL -2.3 til 2,5 mm).
9. Med en fin spids pen tegne den firkantede omkreds afgrænser hullet skal bores.
   1. Bor et 9 mm ² hul på tidligere identificerede blå firkant fjerne knogle flise.
   2. Rengør og absorbere potentielle knogle blødninger. Fjern forsigtigt dura mater og dække kortikale overflade med en kirurgisk svamp dyppet i kunstig cerebrospinalvæske fastholdt på 37,5 ° C.
10. Fastgør elektrode matrix til en holder tilsluttet en elektronisk mikromanipulator.
    1. Tilslut lederen af ​​matricen til forforstærker med en microconnector.
    2. Kør manuelt elektroden matrix (under kirurgisk mikroskop kontrol) op til kortikale overflade (uden at røre den).
    3. Tænd forstærkerne med auditive signal.
    4. Kør ved den elektroniske styring er elektroden matrix for at røre ved kortikale overflade indtil kontakten nået, signaleret ved en klar støj lyd forandring.
    5. Træk ned elektroden matrix ved elektronisk styrede trin (2 mM / trin) indtil en dybde på 350-400 um er nået (kortikal lag IV).
    6. Kontroller reaktionsevne neuroner af lys hånd på den kontralaterale posterior pote.
    7. Juster dybden med et par yderligere skridt, indtil en klar spiking svar overholdes.
    8. Lamme rotter ved intravenøs gallamin thriethiodide (20 mg / kg / time). Brug brydes doser gennem hele forsøget for at opretholde curarization niveauer (0,2 ml / 1 time).

2. Signal Behandling

1. Indstille softwaren båndpasfilter til [0.1 6000] Hz.
   1. Optag neuronale signaler fra 8 kanaler mikroelektrode matrix samplet ved 32 kHz.
2. Efter opkøbet ender, eksportere de indspillede signaler til et binært format egnet til efterbehandling.
   1. Udfør spike sortering procedure ved hjælp af Wave_clus værktøjskassen ^11.

3. Fremstilling og konfiguration af Stimulation Device

1. Monter en kaktus stilk (med stump spids) vinkelret på overfladen af ​​en mid-range højttaler limning stilken grundlag for den fælles landbrugspolitik.
2. Program amicrocontroller at levere spændingsimpulser til et styrekredsløb til højttaleren.
   1. Programmere microcontroller til at levere to parrede impulser af strøm hver anden (se figur 1C).
3. Saml højttaleren og microcontroller ved hjælp af en L293D h-bro med grundlæggende passive komponenter (se figur 1A).
4. Slut microcontroller til et 12 V genopladeligt batteri.

4.. Stimulation Protocol

1. Lim dorsale aspekt af hind-pote til en solid ramme, udsætter volar overflade og undgå artikulær torsioner.
2. Placér spidsen af ​​den stimulation enhed på den ønskede lemmer / pote position.
3. Tænd stimuleringsindretning.

Offline trin:

5.. Evaluering af Spike Responses

1. For hver indspillet neuron, beregne Shannon Mutual Information (MI) af stimulus fremkaldte spiking aktivitet (stimulus category er enten 1, stimulus, eller 0, ingen stimulus).
   1. Vurdere den betingede respons sandsynlighed P (R | s) hvor s repræsenterer stimulus kategori og R repræsenterer antallet af pigge, der udsendes inden for en fastsat tidsramme.
   2. Ret MI skøn ved hjælp af trippende beskrevne procedure ^9.

6.. Evaluering af LFP Responses

1. Foretage det optagede signal i frekvensområdet [0,1 100] Hz for at opnå LFP signal
2. Beregn LFPSNR, et mål for LFP lydhørhed, som forklaret i referencen ^10.

7.. Modelestimation

1. Generer en model af formen
   
   hvor x argumenter repræsenterer tre forskellige LFP funktioner (x ₁ LFP selv, < em> x ₂ dens afledte og x ₃ Hilbert fase af dens afledte) og F udtrykkes som følger
   
   G-koefficienterne er vægte af en lineær kombination, og f er en operatør, der tager enten den absolutte værdi, magt eller den oprindelige værdi af hver x _i.
2. Brug NSGAII algoritme til at estimere modellens parametre og operatører ved hjælp af følgende tre objekter: i) en lokal, trial-til-forsøgsbasis måle pasform , Hvor N _sp og N _r repræsenterer henholdsvis de overordnede pigge tælle og længden af vektoren reaktion ii) et globalt mål for fit baseret på den gennemsnitlige responsad/50941/50941eq4.jpg "width =" 205 "/> hvor N _hhv viser længden af den gennemsnitlige reaktion iii) en foranstaltning model kompleksitet (se også) ¹⁰ .

8.. Histologisk Bekræftelse

1. Sacrifice rotter.
   1. I slutningen af ​​eksperimentelle optagelser, aflive dyret under dyb gasform anæstesi (Isofluran 2%, 4 L / min) og injiceres intravenøst ​​en overdosis barbiturat (> 50 mg / kg, pentobarbital).
   2. Vent hjerte anholdelse.
   3. Afmontere rotte fra stereotaktisk apparat
2. Perfusion.
   1. Placer rotte om over en gitter på et bassin til opsamling af blod og væske fra perfusion.
   2. Åbn brystkassen ved at dissekere brystbenet adskille ribbens indrykninger.
   3. Bloker brystbenet xyphoid proces med en cocker pincet og vælter cranially brystbenet og divaricate ribbenene over hjertet.
   4. Identificer venstre hjertekammer og højre atrium, placere en ni gauge afstumpet spids nål (tilsluttet til perfusion kanyle) i ventriklen og åbne med kirurgiske fine saks højre atrium.
   5. Start perfusion med koldt (4 ° C) hepariniseret fysiologisk opløsning (250 ml) efterfulgt af perfusion af en 4% formalin opløsning (250 ml).
3. Uddrag hjernen fra kraniet ved at åbne kranielle deformiteter med en passende pincet og placere hjernen i en 10% formalin løsning.
4. Efter en uge, forberede de histologiske udsnit af en mikrotom (10 um tykkelse).
5. Farv hjernen koronale og sagittale sektioner med cresylviolet løsning.

Representative Results

Tip udflugt funktioner

At karakterisere de dynamiske egenskaber af den foreslåede stimulerende anordning blev en række eksperimenter oprettet. En særlig anordning, som består af en galliumarsenid infrarød emitting diode kombineret med en silicium phototransistor blev anvendt til at vurdere spids forskydning, varighed forskydning og eventuelle forsinkelser fortrængningsmaskinerne. Ved hjælp af denne optiske INTERRUPTER switch placeret vi stimulatoren tip på kanten af ​​emitting diode hul (højde = 1 mm) og både microcontroller og fototransistoren udgangene blev registreret. Placeringen procedure blev lettet ved en microstepper enhed med en maksimal opløsning på 1 mm.

Svaret af anordninger er vist i figur 2A. Den røde linje repræsenterer fototransistor reaktion efterfulgt af microcontroller reaktion, som angiver den nøjagtige begyndelse af spidsen forskydning. Især en systematisk forsinkelse grundet commuttioner var til stede og kvantificeres (figur 2B, gennemsnit = 583 mikrosekunder i 100 forsøg) resulterer som rigeligt under den ønskede tid præcision (1 ms). Endelig har vi målte forskydning varighed spidsen, der var på 3,96 millisekunder i gennemsnit som vist i figur 2C.

Randomiseret Parret Pulse protokol til Capture LFP og Spike Relations

For at forstå relationen mellem LFP og pigge, vi startede at generere en stimulation enhed, der kan fremkalde hurtige og pålidelige svar fra begge signaler. Den Figur 3A viser den inter-stimulus-interval fordeling, der sikrer, at enheden fremprovokeret en modulation af spiking aktivitet. Enheden beskrivelse og funktion er nærmere beskrevet i protokol afsnittet.

I figur 3B og 3C er vist LFP og spike svar for en repræsentativ neuron, hhv. Ved at måle Gensidig Informtion for pigge og SNR for storformatprintere (4A og 4B) var det klart, at både indkode en betydelig mængde information om stimulus forekomst.

Interessant storformatprintere og spikes gav også oplysninger om stimulering historie (figur 4C-E). Især LFP respons blev reduceret væsentligt, når det faktiske stimulus blev efterfulgt af en tidligere impuls med en lille nok inter-stimulus-interval (figur 4C og 4D). Neuronal kodning af stimulation historie positivt korreleret med MI selvom udstillet væsentligt lavere værdier (Figur 4E).

Vi spurgte, hvilke funktioner i LFP-signalet bedre korrelerer med spike respons. Efter en indledende analyse blev tre LFP funktioner, der stærkt korrelerer med den gennemsnitlige spike svar identificeret: den gennemsnitlige LFP, dens afledte og den fase af LFP derivat (

En Multi-objektiv strategi for Spike forudsigelse Baseret på storformatprintere

Spike togene har typisk komplekse temporale strukturer, der udviser signifikante sammenhænge på flere tidsskalaer. Så hvilke aspekter af den neuronale reaktion opfanges af storformatprintere?

En god test til at undersøge forståelsen af ​​LFP-spike forhold er at spørge, hvor godt spikes er forudsigelige bare ved at kigge på LFP signalet. Derfor ved hjælp af ovenstående sæt LFP funktioner (se figur 4F), hvis mål var at bygge en prædiktiv model, som til enhver tid, læser værdierne af disse funktioner og genererer et binært forudsigelse om forekomsten af et spyd.

En kritisk problem i relation til montering af et spyd forudsigelse model udgøres af valget af en passende objektiv funktion. De mest almindelige valg er Pearson koefficient og sammenhængen funktion ^5.. InteresTing alternativer leveres af spike målinger ^6. Mens de to første foranstaltninger er baseret på den gennemsnitlige neuronale reaktioner og derfor ikke indfange hele strukturen af ​​spike togene, sidstnævnte er beregningsmæssigt krævende og ikke praktisk for montering formål. Der foreslås en alternativ løsning baseret på multi-objektiv optimering. Ideen er i fællesskab at minimere flere mål funktioner (herefter blot kaldet mål). Disse mål skal være beregningsmæssigt effektivt at beregne og i stand til at indfange forskellige aspekter af neuronal respons.

Ved hjælp af begrebet Pareto optimalitet kan vi så finde et sæt af modeller, hver optimeret til specifikke kompromisser mellem disse mål. For at vurdere de Pareto optimale overflader blev NSGAII anvendte algoritme ^12. Vi identificerede tre objektive funktioner: et globalt baseret på afstanden i de gennemsnitlige svar, en lokal ene er baseret på afstanden på en trial-til-retssaggrundlag og et ekstra mål, der straffer kompleksiteten af ​​modellen (se den relative protokollen afsnit).

De opnåede resultater ved montering af en repræsentativ neuron fra vores datasæt er vist i figur 5A og 5B. 5A rapporterer globale afstand (PF) og den lokale afstand (SM) mellem modellen og sande svar. Bemærk, at de afstande for hver model er optimale i en Pareto forstand, så ingen model er bedre eller værre end nogen anden i begge distancer. Det samme princip gælder for alle de tre afstande fællesskab skitseret (figur 5B).

En vigtig fordel givet ved estimering af et sæt af optimale modeller i stedet for en enkelt ligger i det faktum, at forskellige modeller, der er baseret på optimale afvejninger blandt de angivne mål, fange forskellige aspekter af den sande neuronal respons. Dette er vist i figur 6, hvor den oprindelige raster diagvæddere (6a og 6d) og de ​​forudsagte dem (figur 6B, 6C, 6E og 6F) er rapporteret fra to repræsentative neuroner: Modeller, der minimerer lokale distance fange den mest pålidelige fase af neuronale reaktioner (figur 6B og 6E ), mens modeller baseret på en rimelig afvejning mellem det lokale og det globale distance bedre fange neuron foranderlighed og spontan fyring over hele tidsmæssige interval (0-50 msek figur 6C og 6F).

Fig. 1. (A) Skematisk af drivkredsløbet. Hovedbestanddelen er en L293D h-bro. Microcontroller kommandoer leveres s. ins D1 og D2. (B), afstumpet spids bevægelser for let mekanisk stimulation. Gitteret størrelse på millimeterpapir er 1 mm. Klik her for at se større billede .

Figur 2. Tip forskydning funktioner. (A) udgange af microcontroller (blå linje) og fototransistoren (rød linje). Den grønne lodrette linje er sat til 0 indikerer indtræden af ​​spidsen forskydning. (B) sandsynlighedsfordelingen for effektive forsinkelser spidsen forskydning opnået over 100 forsøg. (C) sandsynlighedsfordelingen for varigheden af spidsen forskydning i gennemsnit i 100 forsøg./ Ftp_upload/50941/50941fig2highres.jpg "target =" _blank "> Klik her for at se større billede.

Figur 3.. (A) Inter-Stimulus-Interval distribution. (B, C) ​​"på luft" stimuli ikke fremkalde reaktioner (se toppen af de to grafer i intervallet 1.000 til 1.200 forsøg). Sammenlign dem til den sande stimulus prøvekørsel (på ordinaten akser) fra 0 til 1.000, hvor mellem 15 til 40 ms forsinkelse fra stimulus debut (tid 0 på abscissen) Klare svar kan observeres. Plottet i (B) henviser til LFP svar mens plottet i (C) henviser til spike respons. I y-aksen af ​​højre mest figur, der er tegn ("storetå", "II" & #34,. III "osv.) af stimuli på bagbenet af rotter Klik her for at se større billede .

Figur 4.. (A, B) gensidig information og LFP _SNR som en funktion af tiden langs forskellige cifre. (C) LFP normaliserede værdier efter kort (<100 ms) og lang (> 300 ms) Inter-Stimulus-interval (IStimI) . (D) Gennemsnitlig Effekt af LFP reaktioner efter lange og korte IStimI. Hver prik repræsenterer en klar optagelse. (E) MI om lang / kort IStimI som en funktion af de største MI-værdier omkring stimulus forekomst (Imax). Hver prik repræsenterer annonceistinct neuron. (F) Den PSTH af en repræsentativ neuron godt korrelerer med tre funktioner i LFP svar:. Den gennemsnitlige rå signal, den gennemsnitlige afledte og den fase af derivatet Klik her for at se større billede .

Figur 5.. (A, B) lokal og global afstanden mellem forudsagte og sande svar for et repræsentativt neuron. (B) Fælles evaluering for de tre distancer. Pareto optimale løsninger blev estimeret ved hjælp af NSGAII algoritmen. Klik her for at se større billede .

Figur 6. Sand (A, D) og anslået (B, C og E, F henholdsvis) svar for to repræsentative neuroner. X, y, z henholdsvis repræsenterer rå LFP signal, dens afledte og fase af sin afledte. Klik her for at se større billede .

Discussion

Dette arbejde først fremlagt en ny, enkel og billig anordning, som bevirker at levere hurtige og rumligt punkt-lignende sensoriske stimuli. Derefter en randomiseret parret puls stimulation protokol og et sæt af beregningsmæssige analyser blev valideret. Det overordnede mål var at skabe en ramme for vurdering af LFP-spike relationer i elektrofysiologiske optagelser under taktil stimulation.

Enheden, protokollen og den analytiske tilgang har bidraget i fællesskab til resultatet, nemlig den første demonstration af en deterministisk tilgang kunne beskrive og forudsige LFP-til-spike overgange, et neuralt proces stadig dårligt forstået ^1..

Et kritisk punkt var repræsenteret ved den rette indstilling af programmerbare microcontroller bord, som regulerer styrken og længden af ​​spidsen udflugt trukket af støv-cap. En egnet løsning giver mulighed for pålidelig højfrekvente stimuli og relativt store forskycementer er blevet beskrevet i afsnittet Resultater. Sammenlignet med konventionelle piezoelektriske aktuatorer anordningen, forudsat to store fordele: Det undsluppet det typiske problem for mekanisk resonans og det tilladt relativt store tip forskydninger.

Neuroner i S1 cortex er kendt for at udtrykke store receptive felter og hurtige reaktioner på taktil stimulation ^8. Den hurtige, impuls ligesom stimuli er optimalt egnet til at rekruttere både overfladiske og dybe hud receptorer (f.eks Merkel eller Pacinian blodlegemer) ^2, og belejligt at ændre de stimulerende parametre (intensitet, varighed, rampe afledte) kunne man fortrinsvis ansætte en af disse forskellige receptorklasser . Den randomiserede parret puls protokol blev sigte på at reducere prædiktiv medrivning af neuronale svingninger på stimuli begivenhed, der typisk opstår under periodiske stimuli. På den anden side den variable intervallet mellem de parrede pulser tilladt os at udvinde en klar dependencE på stimulation historie. Til vurdering af struktur og parametre i vores prognosemodel vi påberåbt en velkendt multi-objektiv optimering algoritme, kaldet Non-Domineret Sortering Genetisk Algoritme II eller NSGAII ^12. Et hovedproblem i montering af en prædiktiv model for spike forekomst afhængig i den komplekse temporale struktur af reelle spike tog. Måle afstanden mellem forudsagte og sande spike tog har vist sig at være et beregningsmæssigt dyrt opgave ^6. Brugen af ​​NSGAII, en multi-objektiv optimering algoritme, giver mulighed for at nedbryde problemet i flere, beregningsmæssigt effektive afstande.

At evaluere godhed af en model, vi havde brug for at kvantificere fejlen i forudsigelsen repræsenteret af afstanden mellem forudsagte og sande spike tog. To hovedkriterier for at vurdere modellens forudsigelser blev taget i betragtning. Tilpasningsprocessen returnerede et sæt af modeller i stedet for en enkelt. Interessant hver model in sæt syntes at indfange forskellige aspekter af de originale spike tog.

Afslutningsvis kan det udviklede ramme baseret på fællesskab optimeret stimulation enhed, protokol og analyser, der bruges til at få yderligere indsigt i LFP-spike forhold samt forbedre de nuværende strategier for programmering effektiv hjerne-maskine-grænseflader og neuroprosthetics.

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)