A جهاز التحفيزية بسيطة لتستحضر نقطة اللمس مثل المحفزات: A كشاف لLFP إلى سبايك انتقالات
مارس 25, 2014
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.
الهدف العام من هذا الإجراء هو اقتراح جهاز تحفيز حسي مخصص وفعال ومنخفض التكلفة لإجراء تحفيزات نقطية سريعة. يتم تحقيق ذلك أولاً من خلال إعداد جهاز التحفيز. وتتمثل الخطوة الثانية في تحضير الحيوان للتسجيلات الفيزيولوجية الكهربائية عن طريق فتح نافذة عظمية فوق المنطقة الحسية الجسدية الأولية للسماح بوضع مصفوفة الأقطاب الكهربائية المتعددة.
تتمثل الخطوة الثالثة من الإجراء في وضع جهاز التحفيز على مناطق المخلب المستجيبة التي تم تحديدها مسبقاً. والخطوة النهائية هي إيجاد أفضل استجابات LFP والنشاط الشوكي المتولدة تلقائياً والمحفزة. وفي النهاية، سيتم تقييم استجابات النشاط الشوكي و LFP بواسطة خوارزميات مخصصة.
تتمثل الميزة الرئيسية لتقنيتنا مقارنة بالتقنيات الحالية، مثل المحفزات الكهربائية الحيوية، في قدرة جهازنا على إحداث تحفيزات نقطية سريعة للغاية في المناطق المستهدفة. يمكن لهذه الطريقة أن تساعد في الإجابة على أسئلة جوهرية في الفسيولوجيا العصبية، مثل السؤال الأساسي المتعلق بالانتقال من جهود الزعنفة المحلية إلى الومضات العصبية والعكس. سيقوم saini، وهو طالب دكتوراه في مختبري، بتوضيح تحضير الحيوان لتحفيز القطب، بينما سيقوم الدكتور Antonio Zippo مع أحد مساعدي في المختبر بتوضيح البناء التقني للجهاز.
في هذا الإجراء، قم ببرمجة متحكم دقيق لإرسال نبضتين مزدوجتين من التيار في كل ثانية، ثم رتب المتحكم الدقيق، ولوحة التجارب (breadboard)، ومكبر الصوت متوسط المدى، والمشغل، والغراء على الطاولة. بعد ذلك، قم بتثبيت طرف غير حاد من ساق صبار بشكل عمودي على سطح مكبر الصوت متوسط المدى. قم بتوصيل مكبر الصوت والمتحكم الدقيق باستخدام قنطرة L 293 DH مع المكونات السلبية الأساسية.
بعد ذلك، قم بتوصيل المتحكم الدقيق ببطارية قابلة للشحن بجهد 12 فولت لإجراء الجراحة بالتوجيه التجسيمي. بعد تخدير الجرذ عن طريق الحقن في التجويف البريتوني (IP) بمحلول الباربيتورات وتثبيته على جهاز التوجيه التجسيمي، قم بتثبيت الرأس باستخدام قضبان الأذن وقطعة الفم. ثم حافظ على درجة حرارة وسادة التوجيه التجسيمي عند 37.5 درجة مئوية باستخدام وسادة تسخين يتم التحكم فيها إلكترونيًا.
بعد ذلك، نظف القبة القحفية بعناية باستخدام بوفيدون اليود المطهر الموضعي. قم بإجراء شق على طول الخط الناصف من قاعدة الخطم إلى العظم القذالي، وثبّت الجلد باستخدام مباعدة وملقطين صغيرين من نوع كوكر. الآن حدد السمحاق وقم بكشطه عن القبة العظمية باستخدام طرف دقيق.
ضع علامة بالقلم على نقطة تقاطع الغرز السهمية الإنسية والإكليلية. بعد ذلك، وباستخدام المجهر الجراحي، حدد نطاق الطرف الخلفي الحسي الجسدي الذي يغطي القشرة الحسية الجسدية في الجانب المقابل للقدم الخلفية المستخدمة في التجربة. استخدم قلماً دقيق السن لرسم مربع يحدد الثقب المراد حفره.
ثم قم بحفر ثقب بمساحة 9 مم² في المربع المحدد مسبقاً. لإزالة قطعة العظم وإزالة الأم الجافية بعناية. قم بتغطية السطح القشري بإسفنجة جراحية مشبعة بسائل دماغي شوكي اصطناعي عند درجة حرارة 37.5 °C.
بعد ذلك، يتم تثبيت مصفوفة الأقطاب الكهربائية في حامل متصل بمتحكم مجهري إلكتروني. قم بتوصيل رأس المصفوفة بالمضخم الأولي باستخدام موصل مجهري. تحت المجهر الجراحي، قم بخفض مصفوفة الأقطاب الكهربائية يدويًا نحو سطح القشرة المخية دون لمسه.
ثم قم بتشغيل مضخمات الصوت واستمر في خفض مصفوفة الأقطاب الكهربائية حتى تلامس السطح القشري، وهو ما سيُشار إليه بضجيج واضح. بعد ذلك، اخفض مصفوفة الأقطاب الكهربائية عبر خطوات يتم التحكم فيها إلكترونياً بمقدار 2 micron لكل خطوة حتى الوصول إلى الطبقة القشرية الرابعة على عمق 350 إلى 400 microns. ثم تحقق من استجابة العصبونات عن طريق لمسات خفيفة على المخلب الخلفي في الجانب المقابل.
اضبط العمق ببضع خطوات إضافية حتى يتم ملاحظة استجابة نبضية واضحة. اضبط مرشح تمرير النطاق في البرنامج من 1.0 إلى 6,000 hertz ومعدل أخذ العينات على 32 kilohertz وابدأ تسجيل الإشارة العصبية. بعد خمس دقائق من التسجيل، أنهِ التجربة وصَدّر البيانات المسجلة بتنسيق binary من أجل المعالجة اللاحقة.
قم بإجراء عملية فرز النبضات (spike sorting) باستخدام صندوق أدوات wave_plus. في هذا الإجراء، قم بتثبيت الجانب الظهري للقائمة الخلفية إلى إطار صلب، بحيث يكون سطح LAR مكشوفاً مع تجنب أي التواءات مفصلية. بعد ذلك، ضع طرف جهاز التحفيز على الموضع المطلوب في قائمة P، ثم قم بتشغيل جهاز التحفيز.
بعد اتباع هذا الإجراء، يمكن للباحثين دراسة معالجة المعلومات في كل من المنبهات الجسدية البطيئة والسريعة. وبعد تطوير هذا الجهاز، سيتمكن الباحثون والأطباء من تحليل وفهم الفرق والحوسبة العصبية وفي تفصيل إشارات تحفيز اللمس الخفيف، سواء في الأشخاص الطبيعيين أو في.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة جهاز تحفيز حسي مصنع خصيصاً ومصمماً لإجراء تحفيزات ميكانيكية دقيقة على شكل نقاط. وقد تم تقييم فعالية الجهاز من خلال تسجيلات الفيزيولوجيا الكهربائية في القشرة الحسية الجسدية الأولية، مع التركيز على الانتقال من جهود المجال المحلي (LFPs) إلى أنشطة الارتشاق العصبي.
المكونات الرئيسية للدراسة
مجال العلوم
- علم الأعصاب
- علم الفسيولوجيا الكهربائية
- المعالجة الحسية الجسدية
خلفية علمية
- يعد فهم الانتقال من الجهود الميدانية المحلية (LFPs) إلى النبضات العصبية (spikes) أمراً بالغ الأهمية في العلوم العصبية.
- يمكن للمنبهات الميكانيكية أن تثير استجابات عصبية ملحوظة.
- يمكن للأجهزة المخصصة أن تعزز دقة التحفيز الحسي.
- يمكن لاستراتيجيات التحسين متعددة الأهداف أن تحلل أنشطة النبضات العصبية بفعالية.
الغرض من الدراسة
- تطوير جهاز تحفيز حسي منخفض التكلفة.
- تحقيق تحفيزات ميكانيكية سريعة ودقيقة.
- تحليل استجابات Spiking وLFP في القشرة الحسية الجسدية.
الطرق المستخدمة
- بناء جهاز مخصص للتحفيز الحسي.
- تجهيز الحيوان لإجراء التسجيلات الفيزيولوجية الكهربائية.
- وضع جهاز التحفيز على مناطق المخلب المستجيبة.
- تقييم استجابات LFP والنشاط الشوكي (spiking) باستخدام خوارزميات مخصصة.
النتائج الرئيسية
- قدم الجهاز محفزات لمسية بدقة تصل إلى أجزاء من الثانية.
- تم تسجيل أنشطة النبضات بنجاح من القشرة الحسية الجسدية.
- وفرت استراتيجيات التحسين متعددة الأهداف رؤى حول الاستجابات العصبية.
- أظهرت النتائج فعالية الجهاز المخصص.
الاستنتاجات
- يعد جهاز التحفيز الحسي المخصص فعالاً لإجراء تحفيزات دقيقة.
- يُسهّل الجهاز دراسة الاستجابات العصبية في القشرة الحسية الجسدية.
- قد تعزز التطبيقات المستقبلية فهمنا لعمليات المعالجة الحسية.
الأسئلة الشائعة
الأهمية الصناعية التنفيذية
يُعد فهم الانتقال من جهود المجال المحلية (LFPs) إلى نشاط الارتفاعات الكهربائية (spiking activity) أمراً بالغ الأهمية لتقليل مخاطر التحقق من صحة الأهداف في عملية اكتشاف أدوية العلوم العصبية. يتيح هذا الجهاز التحفيزي المخصص تحفيزاً لمسياً دقيقاً وعالي التردد لسبر ديناميكيات الدوائر العصبية، مما يدعم تقليل المخاطر الميكانيكية للأهداف المشاركة في اضطرابات المعالجة الحسية. ويوفر هذا النهج ثقة تنبؤية في ارتباط الهدف من خلال ربط توقيعات LFP خارج الخلوية بالمخرجات العصبية على مستوى الارتفاعات الكهربائية.
التطبيقات الاستراتيجية في البحث والتطوير في مجال الأدوية الحيوية
الاكتشاف المبكر والتحقق من الهدف
- القيمة العلمية: تتيح استقصاء الفرضيات العلاجية من خلال عزل العلاقة السببية بين ديناميكيات الـ LFP وتوليد الـ spike في الدوائر القشرية.
- القيمة التشغيلية: توفر منصة قابلة للتكرار للتحقق من صحة الأهداف الوظيفية باستخدام محفزات نقطية لرسم خرائط الاستجابة العصبية بدقة تصل إلى الميلي ثانية.
- القيمة التنبؤية: تدعم عملية فرز المحفظة الدوائية من خلال تحديد الأهداف التي يؤدي تعديلها إلى تغيير أنماط الانتقال من LFP إلى spike بشكل موثوق في الأنظمة ذات الصلة بالمرض.
الفحص وتطوير المقايسة
- القيمة العلمية: يوفر استجابات عصبية قابلة للقياس ومحددة زمنياً تعمل كمؤشرات حيوية قوية لفحص المركبات في المسارات الحسية الجسدية.
- القيمة التشغيلية: يعمل على توحيد معايير التحفيز عبر جميع المقايسات، مما يقلل من التباين في قراءات الجهد المحلي الميداني (LFP) والنبضات العصبية (spike) من أجل توصيف موثوق للعلاقة بين الجرعة والاستجابة.
- القابلية للتوسع: يسمح التصميم النمطي منخفض التكلفة بإعادة الاستخدام عبر تجهيزات متعددة للفزيولوجيا الكهربائية، مما يدعم التحقق عالي الإنتاجية من الأهداف الحساسة ميكانيكياً.
الأبحاث الانتقالية وما قبل السريرية
- الأهمية الانتقالية: يلتقط التقلبات بين التجارب في نشاط الارتفاعات (spikes) عبر إشارات الجهد الميداني المحلي (LFP)، مما يسمح بمحاذاة المؤشرات الحيوية مع الفيزيولوجيا الكهربائية السريرية في نماذج الصرع ومرض باركنسون.
- الاستمرارية قبل السريرية: يربط النتائج المخبرية (in vitro) بوظيفة الدائرة السليمة من خلال الحفاظ على ديناميكيات الاستجابة للمنبه الطبيعية في الجسم الحي (in vivo).
- التقدم المعدل حسب المخاطر: يسهل اتخاذ قرارات المتابعة أو التوقف (go/no-go) من خلال القياس الكمي لكيفية قيام المركبات المرشحة بتغيير احتمالية الارتفاعات المتوقعة بواسطة LFP في الوقت الفعلي.
تكامل سير العمل والمسارات التحليلية
تتكامل هذه الطريقة ضمن سير عمل الاكتشاف المبكر من خلال توفير مدخلات محكومة لسبر وظيفة الدوائر العصبية، مما يدعم بشكل مباشر عملية تحديد المركبات الرائدة من خلال القياس الموضوعي للاستجابات المستثارة بالمحفز.
- بيولوجيا الاكتشاف: تدعم اختبار الفرضيات من خلال تقديم محفزات ميكانيكية دقيقة لعزل الحسابات العصبية في المسارات الحسية.
- الفحص: تتيح جاهزية المقايسة عبر تحفيز مستقر وخالٍ من الرنين، مما ينتج مخرجات متسقة من الجهد الميداني المحلي (LFP) والنبضات (spike) عبر التجارب.
- التحليلات: تولد متغيرات تابعة كمية (سعة LFP، وتوقيت النبضة، وتباين التجارب) التي تغذي النماذج الإحصائية للتنبؤ العصبي.
- الأبحاث الانتقالية: تتماشى مع التحقق قبل السريري من خلال رصد العلاقات بين LFP والنبضات ذات الصلة بالتوقيعات الفيزيولوجية الكهربائية البشرية في الاضطرابات العصبية.
- إعادة الاستخدام في المؤسسات: تعمل كوحدة تحفيز قابلة لإعادة الاستخدام عبر المختبرات والمشاريع، مما يقلل من تكاليف إعادة التطوير للتحقق من الأهداف الحسية الميكانيكية.
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: يقلل من الغموض الميكانيكي في التحقق من الهدف من خلال تقديم دليل مباشر على ديناميكيات الانتقال من الجهد الميداني المحلي (LFP) إلى النبضات العصبية (spike).
- القيمة التشغيلية: يضمن قابلية التكرار من خلال التحكم الزمكاني الدقيق في التحفيز، مما يقلل من المتغيرات المربكة في المقايسات الفيزيولوجية الكهربائية.
- القيمة الاستراتيجية: يحسن كفاءة رأس المال من خلال تمكين تقليل المخاطر المبكرة للأهداف عبر نماذج تنبؤية لنشاط النبضات العصبية تعتمد على الجهد الميداني المحلي (LFP).
- التأثير على المحفظة: يوجه عملية ترتيب الأولويات المعدلة حسب المخاطر من خلال تحديد الأهداف ذات الاقتران القوي بين الجهد الميداني المحلي (LFP) والنبضات العصبية، مما يشير إلى ثقة أعلى في التعديل الوظيفي.
اعتبارات التنفيذ
- يتطلب خبرة في الفيزيولوجيا الكهربائية، والتصنيع الدقيق، ومعالجة الإشارات العصبية لتنفيذ وتفسير الاستجابات المستحثة بالتحفيز.
- يعتمد على أجهزة تشمل المتحكمات الدقيقة، والمضخمات، ومصفوفات الأقطاب الكهربائية لإيصال وتسجيل المحفزات اللمسية والنشاط العصبي.
- يستلزم توحيد بروتوكولات التحفيز ومسارات معالجة الإشارات بين الفرق لضمان إمكانية تكرار النتائج عبر المواقع المختلفة.
- يتضمن اعتبارات التكيف عند نقل الجهاز إلى أنظمة نماذج مختلفة أو مواقع تحفيز أخرى خارج القشرة الحسية الجسدية.
- يتقيد بالحاجة إلى التحضير الجراحي وترشيح الإشارات لعزل الاستجابات المستحثة عن النشاط العصبي الخلفي، كما هو موضح في سير العمل الإجرائي.
