مقالة منهجية

تتبع العين في وقت واحد وتسجيلات الخلايا العصبية واحدة في مرضى الصرع البشري

DOI:

10.3791/59117

يونيو 17, 2019

في هذه المقالة

ملخص

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نحن نصف طريقة لإجراء تسجيلات الخلايا العصبية واحدة مع تتبع العين في وقت واحد في البشر. نحن نبين فائدة هذه الطريقة ونبين كيف استخدمنا هذا النهج للحصول على الخلايا العصبية في الفص الزمني الوسيط البشري الذي ترميز أهداف البحث البصري.

الملخص

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

توفر التسجيلات داخل الجمجمة من المرضى الذين يعانون من الصرع المستعصي فرصة فريدة لدراسة نشاط الخلايا العصبية البشرية الفردية أثناء السلوك النشط. أداة هامة لتحديد السلوك هو تتبع العين، والتي هي أداة لا غنى عنها لدراسة الاهتمام البصري. ومع ذلك، تتبع العين من الصعب استخدامها في وقت واحد مع الفيزيولوجيا الكهربائية الغازية، وبالتالي تم استخدام هذا النهج قليلا. هنا، نقدم بروتوكول تجريبي ثبت لإجراء تسجيلات الخلايا العصبية واحدة مع تتبع العين في وقت واحد في البشر. نحن نصف كيفية اتصال النظم والإعدادات المثلى لتسجيل الخلايا العصبية وحركات العين. لتوضيح فائدة هذا الأسلوب، نلخص النتائج التي تم إجراؤها بواسطة هذا الإعداد. توضح هذه البيانات كيف أن استخدام تتبع العين في مهمة بحث مرئي موجهة بالذاكرة سمح لنا بوصف فئة جديدة من الخلايا العصبية تسمى الخلايا العصبية المستهدفة، والتي كانت استجابتها تعكس الاهتمام من أعلى إلى أسفل بالهدف الحالي للبحث. وأخيرا، نناقش أهمية وحلول للمشاكل المحتملة لهذا الإعداد. معا, بروتوكولنا والنتائج تشير إلى أن تسجيلات الخلايا العصبية واحدة مع تتبع العين في وقت واحد في البشر هي وسيلة فعالة لدراسة وظيفة الدماغ البشري. وهو يوفر حلقة رئيسية مفقودة بين الفيزيولوجيا العصبية الحيوانية وعلم الأعصاب المعرفي البشري.

المقدمة

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تسجيلات الإنسان أحادية الخلايا العصبية هي أداة فريدة وقوية لاستكشاف وظيفة الدماغ البشري مع القرار المكاني والزمني غير عادية1. في الآونة الأخيرة، اكتسبت تسجيلات الخلايا العصبية واحدة استخدام واسع النطاق في مجال علم الأعصاب المعرفي لأنها تسمح بالتحقيق المباشر في العمليات المعرفية المركزية للإدراك البشري. هذه التسجيلات ممكنة من خلال الحاجة السريرية لتحديد موضع بؤر الصرع، والتي يتم زرع أقطاب عمق مؤقتا في عقول المرضى الذين يشتبه في الصرع البؤري. مع هذا الإعداد، يمكن الحصول على تسجيلات الخلايا العصبية واحدة باستخدام الأسلاك الدقيقة جاحظ من طرف القطب عمق الهجين (يتم توفير وصف مفصل للمنهجية الجراحية المشاركة في إدخال أقطاب عمق الهجين في السابق البروتوكول2). من بين أمور أخرى، وقد استخدمتهذه الطريقة لدراسة الذاكرة البشرية 3،العاطفة 5،والاهتمام8.

يقيس تتبع العين موقف النظرة وحركات العين (التثبيتات والسكاديات) أثناء المهام المعرفية. عادة ما تستخدم أجهزة تعقب العين المستندة إلى الفيديو انعكاس القرنية ومركز التلميذ كميزات لتتبع مع مرور الوقت9. تتبع العين هو وسيلة هامة لدراسة الاهتمام البصري لأن موقع النظرة يشير إلى تركيز الاهتمام خلال معظم السلوكيات الطبيعية10،11،12. وقد استخدم تتبع العين على نطاق واسع لدراسة الاهتمام البصري في الأفراد الأصحاء13 والسكان العصبية14،15،16.

في حين يتم استخدام كل من تسجيلات الخلايا العصبية واحدة وتتبع العين بشكل فردي على نطاق واسع في البشر, وقد استخدمت دراسات قليلة على حد سواء في وقت واحد. ونتيجة لذلك، لا يزال من غير المعروف إلى حد كبير كيف تستجيب الخلايا العصبية في الدماغ البشري لحركات العين و / أو ما إذا كانت حساسة للتحفيز المثبتحاليا. هذا هو على النقيض من الدراسات مع macaques، حيث تتبع العين مع تسجيلات الخلايا العصبية واحدة في وقت واحد أصبح أداة قياسية. من أجل التحقيق مباشرة في استجابة الخلايا العصبية لحركات العين، ونحن الجمع بين تسجيلات الخلايا العصبية أحادية الإنسان وتتبع العين. وهنا نوصف البروتوكول لإجراء مثل هذه التجارب ثم نوضح النتائج من خلال مثال ملموس.

على الرغم من الدور الثابت للفص الزمني الوسيط البشري (MTL) في كل من تمثيل الكائن17و18 والذاكرة3 و19، فإنه لا يزال غير معروف إلى حد كبير ما إذا كانت الخلايا العصبية MTL يتم تعديلها كدالة من أعلى إلى أسفل الانتباه إلى الأهداف ذات الصلة سلوكيا. دراسة هذه الخلايا العصبية من المهم أن تبدأ في فهم كيفية تأثير المعلومات ذات الصلة بالأهداف العمليات البصرية من أسفل إلى أعلى. هنا، نبرهن على فائدة تتبع العين أثناء تسجيل الخلايا العصبية باستخدام البحث البصري الموجه، وهو نموذج معروف لدراسة السلوك الموجه نحو الهدف20،21،22،23، 24 , 25.باستخدام هذه الطريقة، وصفنا مؤخرا فئة من الخلايا العصبية تسمى الخلايا العصبية المستهدفة، مما يشير إلى ما إذا كان التحفيز الذي يحضر حاليا هو الهدف من البحث المستمر8. في ما يلي، نقدم بروتوكول الدراسة اللازم ة لإعادة إنتاج هذه الدراسة العلمية السابقة. لاحظ أنه على طول هذا المثال، يمكن بسهولة تعديل البروتوكول لدراسة مهمة اهتمام مرئي عشوائي.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1- المشاركون

  1. تجنيد المرضى الذين يعانون من جراحة الأعصاب مع الصرع المستعصية الذين يخضعون لوضع الأقطاب داخل الجمجمة لتوطين نوبات الصرع.
  2. إدراج أقطاب عمق مع الأسلاك الدقيقة جزءا لا يتجزأ من جميع المواقع المستهدفة المشار إليها سريريا، والتي تشمل عادة مجموعة فرعية من اللوزة، الحصين، القشرة القناقالأمامية ومنطقة المحرك ما قبل التكميلية. انظر تفاصيل للزرع في بروتوكولنا السابق2.
  3. بمجرد عودة المريض إلى وحدة مراقبة الصرع، قم بتوصيل معدات التسجيل لكل من التسجيلات الكلية والدقيقة. وهذا يشمل بعناية إعداد الرأس التفاف التي تشمل مراحل الرأس (انظر وصفنا السابق للحصول على التفاصيل2). ثم، انتظر المريض للتعافي من الجراحة وإجراء الاختبار عندما يكون المريض مستيقظا تماما (عادة ما لا يقل عن 36 إلى 48 ساعة بعد الجراحة).

2. الإعداد التجريبي

  1. ربط الكمبيوتر التحفيزي بنظام الفيزيولوجيا الكهربائية وتعقب العين بعد الرسم البياني في الشكل 1.
  2. استخدام نظام تتبع العين الأشعة تحت الحمراء غير الغازية عن بعد (انظر جدولالمواد). وضع نظام تتبع العين على عربة متنقلة قوية (الشكل1A،B). إلى نفس العربة، قم بإرفاق ذراع مرنة تحتوي على شاشة LCD. استخدام الوضع عن بعد لتتبع رأس المرضى والعينين.
  3. وضع إمدادات الطاقة غير المنقطعة المشحونة بالكامل (UPS) على عربة تتبع العين وربط جميع الأجهزة المتعلقة بتتبع العين (أي LCD أمام المريض، وكاميرا تعقب العين ومصدر الضوء، والكمبيوتر المضيف تعقب العين) إلى UPS بدلا من قوة خارجية مصدر.
  4. ضبط المسافة بين المريض وشاشة LCD إلى 60-70 سم وضبط زاوية شاشة LCD بحيث سطح الشاشة موازية تقريبا لوجه المريض. ضبط ارتفاع الشاشة بالنسبة إلى رأس المريض بحيث الكاميرا من تعقب العين هو تقريبا في ذروة أنف المريض.
  5. تزويد المريض بمربع الزر أو لوحة المفاتيح. تحقق من تسجيل المشغلات (TTLs) والضغط على الزر بشكل صحيح قبل بدء التجربة.

3. تسجيل الخلايا العصبية واحدة

  1. بدء تشغيل برنامج الاكتساب. أولاً، فحص الإمكانات الميدانية المحلية للنطاق العريض (0.1 هرتز - 8 كيلوهرتز) بصرياً والتأكد من أنها غير ملوثة بضوضاء الخطوط. وإلا، اتبع الإجراءات القياسية لإزالة الضوضاء (راجع المناقشة).
  2. لتحديد الخلايا العصبية واحدة، الفرقة تمرير تصفية إشارة (300 هرتز - 8 كيلوهرتز). حدد أحد الأسلاك الدقيقة الثمانية كمرجع لكل حزمة أسلاك دقيقة. اختبار مراجع مختلفة وضبط المرجع بحيث (1) القنوات 7 الأخرى تظهر الخلايا العصبية واضحة، و (2) المرجع لا يحتوي على الخلايا العصبية. تعيين نطاق الإدخال ليكون ± 2000 درجة مئوية V.
  3. تمكين حفظ البيانات كملف NRD (أي ملف البيانات الأولية واسع النطاق الذي سيتم استخدامه لفرز المسامير خارج الخط اللاحقة) قبل تسجيل البيانات. تعيين معدل أخذ العينات إلى 32 كيلو هرتز.

4. تتبع العين

  1. بدء تشغيل برنامج تتبع العين. لأنه نظام حر لتثبيت الرأس، ضع الملصق على جبين المريض بحيث يمكن تعقب العين ضبط حركات الرأس.
  2. ضبط المسافة والزاوية بين تعقب العين والمريض بحيث يتم وضع علامة الهدف، والمسافة الرأس، والتلميذ، وانعكاس القرنية (CR) على أنها جاهزة (كما هو موضح في الأخضر في برنامج تتبع العين؛ يظهر الشكل 2 مثال جيد شاشة إعداد الكاميرا). انقر على العين ليتم تسجيلها وتعيين معدل أخذ العينات إلى 500 هرتز.
  3. استخدام التصحيح التلقائي للتلميذ وعتبة CR. بالنسبة للمرضى الذين يرتدون نظارات، ضبط موقف و / أو زاوية من المضيء والكاميرا بحيث انعكاسات من الزجاج لن تتداخل مع اكتساب التلميذ.
  4. معايرة تعقب العين مع المدمج في طريقة الشبكة 9 نقاط في بداية كل كتلة. تأكد من أن مواضع العين (كما هو موضح باسم "+") تسجل بشكل جيد كشبكة من 9 نقاط. وإلا، قم بإعادة المعايرة.
  5. قبول المعايرة والقيام التحقق من الصحة. قبول التحقق من الصحة إذا كان خطأ التحقق من الصحة الأقصى < 2° ومتوسط خطأ التحقق من الصحة < 1°. وإلا، إعادة التحقق من الصحة.
  6. القيام تصحيح الانجراف والمضي قدما في التجربة الفعلية.

5- المهمة

  1. في مهمة البحث البصري هذه، استخدم المحفزات من دراستنا السابقة14 واتبع إجراء المهمة كما هو موضح قبل8.
  2. توفير إرشادات المهمة للمشاركين. إرشاد المشاركين للعثور على العنصر الهدف في صفيف البحث والاستجابة في أقرب وقت ممكن. إرشاد المشاركين إلى الضغط على الزر الأيسر من مربع الاستجابة (راجع جدولالمواد) إذا وجدوا الهدف والزر الأيمن إذا كانوا يعتقدون أن الهدف غير موجود. توجيه المشاركين صراحة إلى إجراء محاكمات حالية وغائبة عن الهدف.
  3. بدء برنامج عرض التحفيز (انظر جدولالمواد) وتشغيل المهمة: تقديم إشارة الهدف ل1 ق وتقديم صفيف البحث باستخدام برنامج العرض التقديمي التحفيز. ضغط زر التسجيل وتوفير ملاحظات تجريبية عن طريق التجربة (تصحيح أو غير صحيح أو مهلة) للمشاركين.

6 - تحليل البيانات

  1. نظرًا لتشغيل أنظمة الاكتساب وتتبع العين على ساعات مختلفة، استخدم ملف السجل السلوكي للعثور على الطابع الزمني للمحاذاة لتسجيل الفيزيولوجيا الكهربائية وتتبع العين. تطابق المشغلات من تسجيل الفيزيولوجيا الكهربائية وتتبع العين قبل الشروع في مزيد من التحليل. استخراج أجزاء من البيانات وفقا للطوابع الزمنية وتحليل النوافذ بشكل منفصل لتسجيل الفيزيولوجيا الكهربائية وتتبع العين.
  2. استخدام خوارزمية مطابقة قالب شبه تلقائي Osort26 واتبع الخطوات الموصوفة قبل2،26 لتحديد الخلايا العصبية واحدة المفترضة. تقييم جودة الفرز قبل الانتقال إلى مزيد من التحليل2.
  3. لتحليل بيانات حركة العين، قم أولاً بتحويل بيانات EDF من متتبع العين إلى تنسيق ASCII. أيضا، استخراج التثبيتات وsaccades. ثم قم باستيراد ملف ASCII وحفظ المعلومات التالية في ملف MAT: (1) الطوابع الزمنية و (2) إحداثيات العين (س، ذ)، (3) حجم التلميذ، و (4) الطوابع الزمنية الحدث. تحليل التسجيل المستمر في كل محاكمة.
  4. اتبع الإجراءات الموصوفة مسبقًا لتحليل الارتباط بين المسامير والسلوك8.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

لتوضيح استخدام الطريقة المذكورة أعلاه، ونحن بعد ذلك وصف بإيجاز حالة الاستخدام التي نشرناها مؤخرا8. سجلنا 228 خلية عصبية واحدة من الفص الزمني الوسيط البشري (MTL; amygdala والحصين) بينما كان المرضى يؤدون مهمة بحث بصري (الشكل3A،B). خلال هذه المهمة، قمنا بالتحقيق فيما إذا كان نشاط الخلايا العصبية يميز بين التثبيتات على الأهداف والتوزيع.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

في هذا البروتوكول، وصفنا كيفية استخدام تسجيلات الخلايا العصبية واحدة مع تتبع العين في وقت واحد، ووصف كيف استخدمنا هذه الطريقة لتحديد الخلايا العصبية المستهدفة في MTL الإنسان.

يتضمن الإعداد ثلاثة أجهزة كمبيوتر: واحد تنفيذ المهمة (الكمبيوتر التحفيزي)، واحد تشغيل تعقب العين، واحد تشغيل نظام الاقتناء. للمزامنة بين الأنظمة الثلاثة، يتم استخدام المنفذ المتوازي لإرسال مشغلات TTL من الكمبيوتر التحفيزي إلى نظام الفيزيولوجيا الكهربائية (الشكل1C). في الوقت نفسه، يرسل الكمبيو...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ويعلن صاحبا البلاغ عدم وجود تضارب في المصالح.

شكر وتقدير

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ونشكر جميع المرضى على مشاركتهم. وقد تم دعم هذا البحث من قبل معهد روكفلر لعلم الأعصاب، ومؤسسة علوم التوحد ومؤسسة دانا (إلى S.W.)، وجائزة NSF الوظيفي (1554105 إلى U.R.)، والمعاهد الوطنية للصحة (R01MH110831 وU01NS098961 إلى U.R.). ولم يكن للممولين أي دور في تصميم الدراسة، وجمع البيانات وتحليلها، أو اتخاذ قرار بنشر المخطوطة أو إعدادها. نشكر جيمس لي، إريكا كوان، وموظفي مركز محاكاة سيدارس سيناي على مساعدتهم في إنتاج الفيديو التجريبي.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
صندوق استجابة CedrusCedrus (https://cedrus.com/)RB-844صندوق زر
كمبيوتر محمول من DellDell (https://dell.com) Precision7520Stimulus Computer
EyeLink Eye TrackerSR Research (https://www.sr-research.com)1000 Plus جهاز تحكم عن بعد مع كمبيوتر محمول مضيف وحامل ذراع LCDتتبع العين
MATLABMathWorks IncR2016a (RRID: SCR_ 001622)تحليل البيانات
نظام الفيزيولوجيا العصبيةالعصبي Neuralynx (https://neuralynx.com) ATLAS128Electrophysiology
Osortمفتوح المصدرv4.1 (RRID: SCR_015869)خوارزمية فرز سبايك
Psychophysical Toolbxمفتوح المصدرPTB3 (RRID: SCR_002881)صندوق أدوات Matlab لتنفيذ التجارب النفسية الفيزيائية

المراجع

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Fried, I., Rutishauser, U., Cerf, M., Kreiman, G. Single Neuron Studies of the Human Brain: Probing Cognition. , MIT Press. Boston. (2014).
  2. Minxha, J., Mamelak, A. N., Rutishauser, U. Surgical and Electrophysiological Techniques for Single-Neuron Recordings in Human Epilepsy Patients. Extracellular Recording Approaches. Sillitoe, R. V. , Springer New York. New York, NY. 267-293 (2018).
  3. Rutishauser, U., Mamelak, A. N., Schuman, E. M. Single-Trial Learning of Novel Stimuli by Individual Neurons of the Human Hippocampus-Amygdala Complex. Neuron. 49, 805-813 (2006).
  4. Rutishauser, U., Ross, I. B., Mamelak, A. N., Schuman, E. M. Human memory strength is predicted by theta-frequency phase-locking of single neurons. Nature. 464, 903-907 (2010).
  5. Wang, S., et al. Neurons in the human amygdala selective for perceived emotion. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111, E3110-E3119 (2014).
  6. Wang, S., et al. The human amygdala parametrically encodes the intensity of specific facial emotions and their categorical ambiguity. Nature Communications. 8, 14821(2017).
  7. Minxha, J., et al. Fixations Gate Species-Specific Responses to Free Viewing of Faces in the Human and Macaque Amygdala. Cell Reports. 18, 878-891 (2017).
  8. Wang, S., Mamelak, A. N., Adolphs, R., Rutishauser, U. Encoding of Target Detection during Visual Search by Single Neurons in the Human Brain. Current Biology. 28, 2058-2069 (2018).
  9. Holmqvist, K., et al. Eye tracking: A comprehensive guide to methods and measures. , Oxford University Press. Oxford, UK. (2011).
  10. Liversedge, S. P., Findlay, J. M. Saccadic eye movements and cognition. Trends in Cognitive Sciences. 4, 6-14 (2000).
  11. Rehder, B., Hoffman, A. B. Eyetracking and selective attention in category learning. Cognitive Psychology. 51, 1-41 (2005).
  12. Blair, M. R., Watson, M. R., Walshe, R. C., Maj, F. Extremely selective attention: Eye-tracking studies of the dynamic allocation of attention to stimulus features in categorization. Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory, and Cognition. 35, 1196(2009).
  13. Rutishauser, U., Koch, C. Probabilistic modeling of eye movement data during conjunction search via feature-based attention. Journal of Vision. 7, (2007).
  14. Wang, S., et al. Autism spectrum disorder, but not amygdala lesions, impairs social attention in visual search. Neuropsychologia. 63, 259-274 (2014).
  15. Wang, S., et al. Atypical Visual Saliency in Autism Spectrum Disorder Quantified through Model-Based Eye Tracking. Neuron. 88, 604-616 (2015).
  16. Wang, S., Tsuchiya, N., New, J., Hurlemann, R., Adolphs, R. Preferential attention to animals and people is independent of the amygdala. Social Cognitive and Affective Neuroscience. 10, 371-380 (2015).
  17. Fried, I., MacDonald, K. A., Wilson, C. L. Single Neuron Activity in Human Hippocampus and Amygdala during Recognition of Faces and Objects. Neuron. 18, 753-765 (1997).
  18. Kreiman, G., Koch, C., Fried, I. Category-specific visual responses of single neurons in the human medial temporal lobe. Nature Neuroscience. 3, 946-953 (2000).
  19. Squire, L. R., Stark, C. E. L., Clark, R. E. The Medial Temporal Lobe. Annual Review of Neuroscience. 27, 279-306 (2004).
  20. Chelazzi, L., Miller, E. K., Duncan, J., Desimone, R. A neural basis for visual search in inferior temporal cortex. Nature. 363, 345-347 (1993).
  21. Schall, J. D., Hanes, D. P. Neural basis of saccade target selection in frontal eye field during visual search. Nature. 366, 467-469 (1993).
  22. Wolfe, J. M. What Can 1 Million Trials Tell Us About Visual Search? Psychological Science. 9, 33-39 (1998).
  23. Wolfe, J. M., Horowitz, T. S. What attributes guide the deployment of visual attention and how do they do it? Nature Review Neuroscience. 5, 495-501 (2004).
  24. Sheinberg, D. L., Logothetis, N. K. Noticing Familiar Objects in Real World Scenes: The Role of Temporal Cortical Neurons in Natural Vision. The Journal of Neuroscience. 21, 1340-1350 (2001).
  25. Bichot, N. P., Rossi, A. F., Desimone, R. Parallel and Serial Neural Mechanisms for Visual Search in Macaque Area V4. Science. 308, 529-534 (2005).
  26. Rutishauser, U., Schuman, E. M., Mamelak, A. N. Online detection and sorting of extracellularly recorded action potentials in human medial temporal lobe recordings, in vivo. Journal of Neuroscience Methods. 154, 204-224 (2006).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

Medial Temporal LobeVisual Search TaskTarget NeuronsIntracranial RecordingsElectroencephalographyPupil Size MonitoringStimulus Presentation Software

مقالات ذات صلة