Summary
על מנת להבהיר את המעבר המורכב מפוטנציאלים מקומיים שדה (LFPs) לקוצי ממריץ מתאים לגירויים היקפיים מכאניים אור נבנה. כיישום, פעילות spiking נרשמה מקליפה החושית נותחו על ידי אסטרטגיית אופטימיזציה רב אובייקטיבית. התוצאות הראו כי ממריץ המוצע היה מסוגל לספק גירויי מישושם בדיוק של האלפית שני והמילימטר.
Abstract
יש מחקר נוירופיזיולוגיות הנוכחי במטרה לפתח שיטות כדי לחקור את מסלול אותות מתא העצב לתא עצב, כלומר במעברים מקוצים לפוטנציאל בתחום מקומי (LFPs) ומLFPs לקוצים.
יש לי LFPs תלות מורכבת על פעילות ספייק והקשר שלהם עדיין הבין 1 גרוע. הבהרה של יחסי אות אלה תהיה מועילה הן לאבחון קליני (למשל פרדיגמות גירוי לגירוי המוח עמוק) ולהבנה עמוקה יותר של אסטרטגיות קידוד עצביות בתנאים נורמלים ופתולוגיים (למשל אפילפסיה, מחלת פרקינסון, כאב כרוני). למטרה זו, יש לפתור בעיות טכניות הקשורות למכשירי גירוי, פרדיגמות גירוי וניתוחים חישובית. לכן, מכשיר גירוי מחוייט פותח על מנת לספק גירויים מוסדרים היטב במרחב ובזמן שאינו כרוך בתהודה מכאנית. בהמשך לכך,כהדגמה, קבוצה של יחסי LFP-ספייק אמינים הייתה שחולצה.
הביצועים של המכשיר נחקרו על ידי הקלטות תאיים, במשותף קוצים ותגובות LFP לגירויים המוחלים, מהקליפה החושית העיקרית החולדה. לאחר מכן, באמצעות אסטרטגיית אופטימיזציה רב אובייקטיבית, מודל חיזוי להתרחשות ספייק מבוססים על LFPs נאמד.
היישום של פרדיגמה זו מראה כי המכשיר מתאים במידה מספקת כדי לספק גירוי חוש המישוש בתדירות גבוה, יעלה בביצועי מפעילים פיזואלקטריים משותפים. כהוכחה ליעילותו של המכשיר, את התוצאות הבאות הוצגו: 1) העיתוי והאמינות של תגובות LFP גם להתאים את תגובות ספייק, 2) LFPs רגיש להיסטוריה הגירוי וללכוד את התגובה הממוצעת לא רק, אלא גם תנודות משפט למשפט בפעילות ספייק, ולבסוף, 3) על ידי השימוש בLFP לאותת זה ניתן להעריך o מגווןו מודלים חזוי כי ללכוד היבטים שונים של פעילות ספייק.
Introduction
בהקשר של עיבוד אותות בתגובת הדחף מספק אפיון בסיסי של ההתנהגות של מערכות דינמיות.
למרות שגירוי הדחף האידיאלי הוא כמעט לא בר השגה, זה אפשרי להשיג קירוב סביר של אותו באמצעות אלמנט מפעיל שיוצר התקות בתדירות גבוהה. סוג זה של גירוי חוש המישוש-רטט אור ידוע למקד שני העור העמוק (למשל במהירות להגיב, במהירות התאמת כדוריות Pacinian) 2 וקולטנים שטחיים (למשל עם סף נמוך הסתגלות לאט מבני discoid מרקל) 2.
מכשירים הנוכחיים גירוי, ומפעילים בעיקר פיזואלקטריים, מואשמים במספר החסרונות, לא תהודות לפחות והתקות קטנות. כדי להתגבר על פגמים אלה, יישום חלופה של גירוי כמו דחף מוצע באמצעות קצה קהה (טיפ קקטוס החליק במקרה שלנו) בצורה אנכיתרכוב על מרכז הקרום של חרוט רמקול באמצע טווח. זה מספק את היתרון של התקות גדולות יותר וספקטרום תדרים רחב יותר.
יישום אפקטיבי של מכשיר כזה היה המחקר של הבעיה נוירופיזיולוגיות הרלוונטית של LFPs לקוצי תלות. בגלל הקשר החזק של הזמן הדק בין אירועים החשמליים אלה מכשיר מוסדר היטב היה נחוץ לאספקת גירויים היקפיים. הגירויים היינו צריכים להיות מהיר וכמרחבית סלקטיבית ככל האפשר על מנת להקטין את "רעש הרקע" ולחדד את האותות של עניין. לצורך כך, מכשיר הגירוי והפרוטוקול המסירה הגירוי היו מותאם במשותף למשימה. במאמר זה, אנו מתארים את הטכניקה ולהציג כמה תוצאות נציג.
פרוטוקול גירוי על בסיס אקראי לזווג פולסים תוכנן ומותאם על מנת למנוע התרגלות. פרוטוקול זה הציע את היתרון של זוג קלאסיed קטניות והקטינו את האפשרות של נעילה מזויפת בין גירויים והתפרצויות תקופתיות ספונטניות של פעילות עצבית.
באמצעות זה אקראי דופק לזווג אותו ניתן היה להשיג את תגובות LFP וספייק מהירות ואמינות וכדי ללכוד את התכונה המיוחדת של תגובות אלה הקשורים לתלות של שני LFPs וקוצים על ההיסטוריה הגירוי. ואכן, מתגובות LFP גלם, קבוצה של שלוש תכונות LFP (LFP עצמו, LFP ראשון נגזר ושלב של הנגזרת הראשונה) בחריפות מקשרות עם תגובת ספייק ממוצע, גם היו שחולצה.
שיטות אחדות הוצעו כדי שיתאימו למודלים שמנבאים קוצים מLFPs 3,4. באופן כללי נקודה של תהליך התאמת המודל קריטי, משותף גם לניבוי של אירוע ספייק מן אות הגירוי, הוא היווה ידי הבחירה המתאימה של פונקצית המטרה למקסם / למזער. בעוד מגוון רחב של פונקציות מטרה היה להציעד (מתאם לדוגמא ולכידות) אף אחד 5 מאלה במשותף לוכד את כל המורכבות של תגובות ספייק. בהתאם לכך, מסגרת רומן מבוססת על אופטימיזציה רב אובייקטיבית הוא הציג. אנו מראים כי על ידי שימוש בהציע המציא ומסגרת חישובית זה ניתן להעריך סט של מודלים חיזוי המבוסס על LFP החזק ספייק מערכות יחסים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
הצהרה אתית
כדי ללמוד כיצד גירויים חושיים מיוצגים על ידי פעילות עצבית אין חלופה לשימוש בבעלי החיים והשימוש בvivo בגישה. טופלו כל החיות יחד החוקים איטלקים ואירופיים בטיפול בבעלי חיים במחקר המדעי (הוועדה אתית איטלקית, צו חוק על הטיפול בבעלי חיים במחקר, 27 Jan 1992, מס 116). המועצה הלאומית למחקר, שבו הניסויים התבצעו, שומרת על הוועדה הבינלאומית על בעלי חיים במעבדה למדעים (ICLAS) מטעם האו"ם לחינוך, המדע וארגוני תרבות (אונסק"ו), המועצה לארגונים בינלאומיים למדעי רפואה (CIOMS ) והאיגוד הבינלאומי למדעים ביולוגיים (IUBS). ככזה, לא נדרש אישור ספציפי לפרוטוקול. אישור משרד הבריאות מסווג כ" 1 ביאלה, 3/2011 "לקבצים של הוועדה האתית שלאוניברסיטה של מילאנו.
1. הכנת חיות הניסוי
- בחר חולדות זכרים כ 300-400 גרם בגודלם.
- להרדים את החולדות לעריכת הניסוי.
- הזרק intraperitoneally פתרון חומר הרגעה (pentobarbital, 50 מ"ג / קילוגרם לזירוז, 10 מ"ג / קילוגרם לתחזוקה).
- בדוק את רמת ההרדמה על ידי גירויים מכאניים סף נמוך וסף גבוה מעל כפה להבטיח כי אין רפלקס נסיגה מתרחש.
- הכן את עור הגולגולת על ידי גילוח הקמרון גולגולתי במדויק ואז עושה חתך כדי לחשוף את פני גולגולת.
- Cannulate קנה הנשימה, על ידי צינורית לקנה הנשימה (בקוטר פנימי של 2 מ"מ וקוטר חיצוני של 2.5 מ"מ) לתקן את זה על ידי קשירה כירורגית סביב קנה הנשימה עצמו.
- רוחבי למגזר קנה הנשימה לחשוף את וריד הצוואר וcannulate זה החדרת צינורית (PE10) מחוברת למזרק לתקן את זה על ידי קשירה כירורגית סביב הכלי.
- הר העכברוש על מנגנון stereotaxic.
- Secure גוף חולדה ומקום במצב שכיבה.
- תקן את הראש בברי אוזן ולחסום את החוטם. שים טיפות של חומר הרדמה מקומי (לידוקאין) אחד או שתיים באוזנו של העכברוש לפני הצבת סורגי אוזן.
- לווסת את הטמפרטורה של כרית stereotaxic ידי כרית חימום נשלטת אלקטרוני, שמירה על הטמפרטורה ב37.5 ° C.
- לחבר את הצינור לקנה הנשימה למכשיר הרדמה בדרכי הנשימה.
- הגדר את מכשיר הרדמה בדרכי הנשימה ב1 / s שבץ אספקת Isoflurane (2.5% 0.4-0.8 ליטר / דקה) וO 2 (.15-.2 L / min).
- לנקות בזהירות את הקמרון גולגולתי ידי povidone-יוד אנטיספטי אקטואלי.
- קח אזמל סטרילי וחתך אורכים בקו האמצע מבסיס החרטום עד הזווית של העצם העורף.
- לפשק גבולות פצע על ידי מפשק ולתקן אותם על ידי שני מלקחיים קוקר קטנים מיושם to גבולות הפצע.
- זהה את קרום העצם ידי הצבעה אור על קמרון גולגולת התבוננות המשטח השקוף. גרד בזהירות את קמרון עצם הסרת קרום העצם וחושף את פני השטח העצם.
- לספק עצירת דימום עם קצה כותנה או ספוג כירורגית על פני העצם אם דימומים מוקד יופיעו מעל העצם.
- עם עט טיפ נאה, לזהות את גבחת נקודת stereotactic בנקודת suturas mediosagittal ועטרת הצלב.
- תחת שליטת מיקרוסקופ ניתוחית, לזהות את אזור stereotactic (S1HL) שכיסה נגדי קליפה החושית לכף הרגל האחורית המשמשת לניסוי (גבחת, AP -0.5 ל1.2 מ"מ, LL -2.3 2.5 מ"מ).
- עם עט קצה קנס לצייר את ההיקף המרובע תיחום החור לקידוח.
- לקדוח חור 9 מ"מ 2 בריבוע הכחול זוהה בעבר הסרת אריחי העצם.
- לנקות ולספוג דימומים עצם פוטנציאליים. מוציא בזהירות את מאטר הדורה ולכסות את פני השטח של קליפת המוח עם ספוג כירורגית הספוג בנוזל השדרתי מלאכותי נשמר ב37.5 ° C.
- תקן את מטריצת אלקטרודה לבעל מחובר לmicromanipulator אלקטרוני.
- חבר את הראש של מטריקס למגבר קדם ידי microconnector.
- לנהוג באופן ידני את מטריצת אלקטרודה (תחת שליטת מיקרוסקופ הניתוחית) אל פני השטח של קליפת המוח (מבלי לגעת בו).
- הפעל את המגברים עם אות שמיעתית.
- לנהוג, לפי הבקרה האלקטרונית, הוא הגיע מטריצת האלקטרודה לגעת במשטח קליפת המוח, עד ליצירת קשר, אותת על ידי שינוי קול רעש ברור.
- משוך כלפי מטה את מטריצת האלקטרודה ידי צעדים נשלטו אלקטרוני (2 מיקרומטר / צעד), עד לעומק של 350-400 מיקרומטר הוא הגיע (IV שכבת קליפת המוח).
- בדוק את התגובה של הנוירונים על ידי נגיעות אור על הכפה האחורית הנגדית.
- כוון את העומק על ידי מספר צעדים נוספים עד תגובת spiking ברורה הוא ציין.
- לשתק את החולדה על ידי thriethiodide תוך ורידי Gallamine (20 מ"ג / קילוגרם / שעה). השתמש במינונים משתכרים לאורך כל הניסוי כדי לשמור על רמות curarization (0.2 מיליליטר / 1 שעות).
2. אות טיפול
- הגדר את מסנן bandpass תוכנה ל[ 0.1 6000] הרץ.
- הקלט את האותות עצביים של מטריצת microelectrode 8 ערוצים נדגם ב32 קילוהרץ.
- לאחר הרכישה מסתיימת, לייצא את האותות שנרשמו לפורמט בינארי מתאים שללאחר עיבוד.
- בצע את הליך ספייק מיון באמצעות ארגז הכלים Wave_clus 11.
3. ייצור ותצורה של מכשיר גירוי
- הר גבעול קקטוס (עם קצה קהה) orthogonally אל פני השטח של רמקול באמצע טווח הדבקת בסיס הגבעול לכובע.
- תכניתמיקרו כדי לספק פולסי מתח למעגל נהג לרמקול.
- לתכנת מיקרו כדי לספק שני פולסים לזווג של זרם בכל שנייה (ראה תרשים 1C).
- להרכיב את הרמקול ומייקרו בדרך של h-גשר L293D עם רכיבים בסיסיים פסיביים (ראו איור 1 א).
- חבר את המיקרו לסוללה נטענת 12 V.
4. פרוטוקול גירוי
- מדביקים את ההיבט הגבי של האחורית-הכפה למסגרת מוצקה, חושף את פני השטח volar והימנעות torsions במפרק.
- הנח את הקצה של מכשיר הגירוי על עמדת איבר / כפה הרצויה.
- הפעל את מכשיר הגירוי.
צעדים מנותק:
5. הערכה של תגובות ספייק
- לכל נוירון נרשם, לחשב את הנאמנות במידע שאנון (MI) של הגירוי עורר פעילות spiking (ca גירויtegory הוא או 1, גירוי, או 0, לא גירוי).
- להעריך את p המותנה הסתברות תגובה (r | ים) שבו ים מייצג את הקטגוריה הגירוי וr מייצג את מספר הקוצים הנפלטים בתוך חלון זמן קבוע.
- תקן את הערכת אמ"ן על ידי שימוש בהליך דשדוש תאר 9.
6. הערכה של תגובות LFP
- סנן את האות שנרשמה בטווח התדרים [0.1 100] הרץ על מנת לקבל את אות LFP
- מחשוב LFPSNR, מידה של היענות LFP, כפי שהסביר בהתייחסות 10.
7. אמידת מודל
- ליצור מודל של הטופס
שבו טיעוני x מייצגים שלוש תכונות שונות LFP (x 1 LFP עצמו, < em> x 2 x 3 נגזר ושלב הילברט של הנגזרת שלה) ו-F שלה באו לידי הביטוי באופן הבא
מקדמי g הם משקולות של קומבינציה ליניארית וf היא מפעיל שלוקח גם את הערך המוחלט, כוח או הערך המקורי של כל x i. - השתמש באלגוריתם NSGAII להעריך את הפרמטרים במודל ומפעילים באמצעות שלושה האובייקטים הבאים: i) מקומית, בסיס ניסוי לניסוי, מידה של כושר
, שבו sp N ו N r מייצגים בהתאמה הקוצים הכוללים לספור והאורך של וקטור התגובה; ii) מדד גלובלי של כושר המבוסס על התגובה הממוצעת"Width =" ad/50941/50941eq4.jpg 205 "/> שבו שו"ת N מייצג את אורך התגובה הממוצעת; ג) מידה של מורכבות מודל (ראה גם) 10 
.
, שבו sp N ו N r מייצגים בהתאמה הקוצים הכוללים לספור והאורך של וקטור התגובה; ii) מדד גלובלי של כושר המבוסס על התגובה הממוצעת"Width =" ad/50941/50941eq4.jpg 205 "/> שבו שו"ת N מייצג את אורך התגובה הממוצעת; ג) מידה של מורכבות מודל (ראה גם) 10 
. 8. אישור היסטולוגית
- להקריב את החולדה.
- בסופו של הקלטות ניסיוניות, לשים את החיה תחת הרדמה גזים עמוקה (Isoflurane 2%, 4 ליטר / דקה) ולהזריק לווריד מנת יתר של חומרי הרדמה (> 50 מ"ג / קילוגרם, pentobarbital).
- חכה מעצר הלב.
- ניתקת את העכברוש ממנגנון stereotaxic
- זלוף.
- מניחים את החולדה הנחת מעל רשת על אגן כדי לאסוף את הדם ונוזלים מזלוף.
- לפתוח את בית החזה על ידי לנתח את עצם החזה הפרדה מהוספות הצלעות.
- לחסום את תהליך xyphoid חזה עם מלקחיים קוקר וCR התהפכותanially עצם החזה ולפשק את הצלעות על הלב.
- זהה את החדר השמאלי והעלייה הימנית, הנח את מחט מד תשע קהה קצה (מחוברת לצינורית זלוף) לתוך החדר ולפתוח עם מספריים עדינים כירורגית העלייה הימנית.
- התחל זלוף עם פתרון קר (4 מעלות צלזיוס) heparinized פיסיולוגי (250 מיליליטר) ואחריו טפטוף של תמיסת 4% פורמלין (250 מיליליטר).
- חלץ את המוח מהגולגולת על ידי פתיחת הכספת של הגולגולת עם מלקחיים מתאימים ולמקם את המוח בתמיסת פורמלין 10%.
- אחרי שבוע, להכין את הפרוסות היסטולוגית על ידי microtome (10 עובי מיקרומטר).
- להכתים את סעיפי העטרה ועל sagittal המוח עם פתרון סגול cresyl.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
תכונות טיול עצה
כדי לאפיין את התכונות הדינמיות של מכשיר הגירוי המוצע, סדרת הניסויים שהקימה. התקן ספציפי אשר מורכב גליום ארסניד אינפרא אדום דיודה בשילוב עם טרנזיסטור סיליקון שימש להערכת עקירת הקצה, משך העקירה ועקירת עיכובים האפשריים. באמצעות מתג מנתק אופטי זו אנו ממוקמים בקצה ממריץ על קצה חור דיודה (גובה = 1 מ"מ) ושניהם מיקרו ותפוקות phototransistor נרשמו. הליך הצבת התאפשר על ידי מכשיר microstepper עם רזולוציה מקסימלית של 1 מ"מ.
התגובה של התקנים מוצגות באיור 2 א. הקו האדום מייצג את תגובת phototransistor אחריו תגובת מיקרו אשר מציינת את תחילתה של עקירת הקצה המדויקת. יש לציין, עיכוב שיטתי בשל commutations היה נוכח ולכמת (תרשים 2B, אומר = 583 μsec ב100 ניסויים) וכתוצאה מכך כבשפע מתחת לדיוק הרצוי הזמן (msec 1). לבסוף, מדדנו את משך זמן עקירת טיפ שהיה של 3.96 msec בממוצע כפי שמוצגים באיור 2 ג.
אקראי פרוטוקול Pulse מותאם ללכידת LFP ויחסי ספייק
על מנת להבין את הקשר בין LFP וקוצים, יצאנו ראשון לייצר מכשיר גירוי שיכול לעורר תגובות מהירות ואמינות משני האותות. איור 3 א מציג את הגירוי-מרווח בין ההפצה, על מנת להבטיח שהמכשיר עורר אפנון של הפעילות להתחדד. תיאור המכשיר והתפקוד מפורט בסעיף הפרוטוקול.
ב3B דמויות ו3C תגובות LFP וספייק לנוירון נציג מוצגות, בהתאמה. על ידי מדידה הנאמנות Information לקוצים ויחס אות לרעש לLFPs (איורים 4 א ו -4 ב) היה ברור ששניהם לקודד כמות משמעותית של מידע על התרחשות גירוי.
מעניין LFPs וקוצים גם סיפקו מידע על ההיסטוריה הגירוי (איורים 4C-E). בפרט תגובות LFP היו מופחתות באופן משמעותי, כאשר הגירוי בפועל קדמה דחף קודם עם בין גירוי מרווח מספיק קטן (4C דמויות ו4D). קידוד עצבי של ההיסטוריה גירוי מתואם חיובי עם MI למרות שהציג ערכים נמוכים באופן משמעותי (איור 4E).
לאחר מכן, אנו נשאלים אילו תכונות של אות LFP טוב יותר לתאם עם תגובת ספייק. לאחר ניתוח ראשוני, שלוש תכונות LFP שמאוד לתאם עם תגובת ספייק הממוצעת זוהו: LFP הממוצע, הנגזרת שלו ואת השלב של נגזר LFP ( אסטרטגיה רב אובייקטיבית לחיזוי ספייק בהתבסס על LFPs יש רכבות ספייק בדרך כלל מבנים זמניים מורכבים שמפגינים מתאם משמעותי בכמה לוחות זמנים. אז, אילו היבטים של התגובה העצבית שנתפס על ידי LFPs? מבחן טוב כדי לחקור את ההבנה של קשר LFP-ספייק הוא לשאול כיצד גם קוצים הם צפויים רק מלהסתכל על אות LFP. לכן, על ידי שימוש בסט של תכונות מעל LFP (ראה איור 4F), המטרה הייתה לבנות מודל חיזוי זה, בכל זמן, קורא את הערכים של תכונות אלה ויוצר תחזית ינארי על ההתרחשות של ספייק. בעיה קריטית הקשורים להתאמה של מודל חיזוי ספייק היוותה ידי הבחירה של פונקצית מטרה מתאימה. האפשרויות הנפוצות ביותר הן מקדם פירסון ופונקצית הקוהרנטיות 5. Interesחלופות טינג מסופקות על ידי מדדי ספייק 6. בעוד ששני המדדים הראשונים מבוססים על התגובות עצביות הממוצעת ולכן אינו ללכוד את המבנה המלא של רכבות ספייק, האחרון הוא המחשוב תובעני ולא מעשי למטרות ראויים. פתרון חלופי המבוסס על אופטימיזציה רב אובייקטיבית מוצע. הרעיון הוא לצמצם במשותף יותר פונקציות מטרות (מטרות להלן רק בשם). יעדים אלה צריכים להיות המחשוב יעיל לחישוב ומסוגל ללכוד היבטים שונים של התגובה העצבית. על ידי שימוש במושג אופטימלי פארטו אז אנחנו יכולים למצוא סדרה של דגמים, זה מותאם לפשרות מסוימות בין מטרות אלה. על מנת להעריך את המשטחים אופטימליים פארטו אלגוריתם NSGAII שימש 12. זיהינו שלוש פונקציות מטרה: אחד גלובלי המבוסס על המרחק בתגובות בממוצע, אחד מקומי המבוסס על המרחק במשפט משפט לבסיס ומטרה נוספת שמענישה את המורכבות של המודל (ראה סעיף הפרוטוקול יחסית). התוצאות שהושגו על ידי התאמת נוירון נציג מבסיס הנתונים שלנו מוצגות ב5A דמויות ו5B. איור 5A מדווח המרחק הגלובלי (PF) ואת המרחק המקומי (SM) בין המודל ותגובות נכונות. שים לב שהמרחקים עבור כל דגם הם אופטימליים במובן פארטו, כך שאין מודל טוב יותר או גרוע יותר מכל אחד אחר בשני המרחקים. אותו העיקרון נכון לגבי כל שלושת המרחקים נחשבים במשותף (איור 5). יתרון עיקרי שניתן על ידי להערכת קבוצה של מודלים אופטימליים במקום אחת טמון בעובדה שדגמים שונים, המבוססים על פשרות אופטימליות בין המטרות שצוינו, ללכוד היבטים שונים של התגובה העצבית הנכון. זו מוצגת באיור 6, שבו diag סריקה המקוריאילים (6A דמויות ו6 ד) ואלה שחזו (6B דמויות, 6C, 6E, ו6F) מדווחים, משני נוירונים נציג: מודלים שלמזער את לכידת המרחק המקומית השלב אמין ביותר של התגובות עצביות (6B דמויות ו6E ), בעוד מודלים הבוסס על תחלופה סבירה בין המקומי והמרחק הגלובלי טובים יותר ללכוד את השתנות נוירון וירי ספונטני על פני כל טווח הזמן (0-50 האלפיות השנייה, איורים 6C ו6F). = "Jove_content" עבור: לשמור-together.within-page = "תמיד"> 
איור 1. () סכמטי של מעגל נהג. המרכיב העיקרי הוא h-גשר L293D. פקודות מיקרו מועברות בעמ ' תוספות D1 ו-D2. (ב) הקהה תנועות קצה לגירוי מכאני קל. גודל הרשת על נייר הגרף הוא 1 מ"מ. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר. 
איור 2. עצה תכונות עקירה. () התפוקות של מיקרו (קו כחול) ושל phototransistor (הקו אדום). הקו האנכי הירוק מוגדר 0 מציין את תחילתה של עקירת הקצה. (ב) התפלגות ההסתברות של עיכובי עקירת טיפ היעילים הושגה מעל 100 ניסויים. התפלגות ההסתברות של משך עקירת הקצה בממוצע ב100 ניסויים (C)./ "= היעד" _blank ftp_upload/50941/50941fig2highres.jpg "> לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר. 
איור 3. (א) החלוקה בין Stimulus-מרווח. (B, C) "באוויר" גירויים לא לעורר תגובות (ראה את החלק העליון של שני הגרפים בטווח 1,000 עד 1,200 ניסויים). להשוות אותם לריצה האמיתית למשפט גירוי (על הצירים לתאם) מ -0 עד 1,000, שבו בין 15-40 אלפיות השניים של עיכוב מהופעת הגירוי (זמן 0 על abscissa) ניתן לראות את תגובות ברורות. העלילה ב( ב ') מתייחסת לתגובת LFP ואילו החלקה ב( ג) מתייחסת לתגובת ספייק. בציר ה-Y של רוב הדמות הנכונה, יש עמדות ("בוהן", "השני", ו#34;. III ", וכו ') של הגירויים בגפיים האחורי של חולדות לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר. 
איור 4. (A, B) מידע הדדי וLFP יחס אות לרעש כפונקציה של זמן יחד ספרות שונות. (C) LFP ערכים מנורמלים לאחר קצר (<100 אלפיות שני) וארוך (> 300 אלפיות שני) Inter-Stimulus-מרווח (IStimI) . (ד) כוח הממוצע של תגובות LFP לאחר IStimI הארוך וקצר. כל נקודה מייצגת הקלטה שונה. (ה) על MI הארוך / קצר IStimI כפונקציה של ערכי MI הגדולים ביותר על התרחשות גירוי (Imax). כל נקודה מייצגת את המודעה נוירון istinct. (F) PSTH של נוירון נציג גם בקורלציה עם שלוש תכונות של תגובת LFP:. אות הממוצעת גלם, נגזרות הממוצע והשלב של הנגזר לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר. 
איור 5. (A, B) מרחק מקומי וגלובלי בין תגובות חזו ונכונות לנוירון נציג. (ב ') הערכה משותפת לשלושה מרחקים. פתרונות אופטימליים פארטו נאמדו על ידי שימוש באלגוריתם NSGAII. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר. 
איור 6. אמיתי (A, D) והערכה (B, C ו-E, F בהתאמה) תגובות לשני נוירונים נציג. X, y, z בהתאמה מייצגות את אות גלם LFP, הנגזרת ושלב של הנגזרות ממנה. לחצו כאן לצפייה גדולה יותר תמונה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
עבודה זו ראשית הציגה מכשיר חדש, פשוט ועלות נמוכה המאפשר לספק גירויים חושיים כמו נקודה במהירות ומרחבית. ואז באופן אקראי פרוטוקול לזווג דופק גירוי ומערכת של ניתוחים חישוביים אומתו. המטרה הכוללת הייתה להקים מסגרת להערכת יחסי LFP-ספייק בקלטות אלקטרו במהלך גירוי חוש המישוש.
המכשיר, את הפרוטוקול ואת הגישה האנליטית תרמו במשותף לתוצאה, כלומר ההפגנה הראשונה של גישה דטרמיניסטית מסוגלת לתאר ולחזות את מעברי LFP לספייק, תהליך עצבי עדיין הבינה 1 גרועה.
נקודה קריטית הייתה מיוצגת על ידי ההגדרה המתאימה של לוח מיקרו לתכנות, המסדיר את כוח ואורכו של טיול טיפ משך ידי אבק הכובע. פתרון מתאים ומאפשר לגירויים בתדירות גבוהה אמינים וdispla הגדול יחסיתמכתיר תואר בסעיף התוצאות. בהשוואה לפיזואלקטריים קונבנציונליים ומפעיל את המכשיר סיפק שני יתרונות עיקריים: הוא נמלט הבעיה האופיינית לתהודה מכאנית וזה אפשר התקות טיפ גדולות יחסית.
הנוירונים בקליפת מוח S1 ידועים להביע שדות גדולים פתוחים ותגובות מהירות לגירוי חוש המישוש 8. מהר, הדחף כמו גירויים בצורה אופטימלית מתאים לגיוס קולטנים שני שטחיים ועמוקים בעור (למשל כדוריות Pacinian מרקל או) 2, ובעת שינוי פרמטרי הגירוי (עוצמה, משך, נגזר רמפה) אחד מעדיף יכול לגייס אחד שיעורים של קולטן השונים אלה . אקראי פרוטוקול הדופק לזווג היה מכוון להפחתת entrainment החזוי של תנודות עצביות לגירוי התרחשות שמתרחשת בדרך כלל במהלך גירויים תקופתיים. מצד השני המרווח משתנה בין הפולסים לזווג אפשר לנו לחלץ dependenc ברורדואר על ההיסטוריה גירוי. להערכת של מבנה והפרמטרים של מודל החיזוי שלנו הסתמכנו על אלגוריתם ידוע רב אובייקטיבי אופטימיזציה, המכונה מיון האלגוריתם הגנטי השני או 12 NSGAII-נשלט ללא. בעיה העיקרית בתהליך התאמת מודל חזוי להתרחשות ספייק מסתמכת במבנה הזמני המורכב של רכבות ספייק אמיתיות. מדידת המרחק בין רכבות ספייק חזו ואמיתיות הוכיחה להיות משימת המחשוב יקרה 6. השימוש בNSGAII, אלגוריתם אופטימיזציה רב אובייקטיבי, מאפשר פירוק הבעיה למרחקים מרובים, יעילים המחשוב.
כדי להעריך את טוב לבו של מודל שאנחנו צריכים לכמת את השגיאה בחיזוי מיוצג על ידי המרחק בין רכבות ספייק חזו ואמיתיות. שני קריטריונים עיקריים להערכת תחזיות מודל נלקחו בחשבון. תהליך ההתאמה חזר קבוצה של מודלים במקום אחד. מעניין כל i מודלn הסט נראה ללכוד היבטים שונים של רכבות ספייק המקוריות.
לסיכום, המסגרת שפותחה, המבוססת על אופטימיזציה במשותף מכשיר גירוי, פרוטוקול וניתוחים, יכולה לשמש כדי להשיג תובנות נוספות ביחס LFP-ספייק וכדי לשפר אסטרטגיות הנוכחיות לממשקי מוח המכונה תכנות יעיל וneuroprosthetics.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים מצהירים שום אינטרסים כלכליים מתחרים.
Acknowledgments
SN וAGZ נתמכו על ידי קרנות VIRTUALAB PON 01-01,297.
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).
